/
Автор: Якушенков Ю.Г. Тарасов В.В.
Теги: электротехника квантовая радиотехника физика оптика фотоника оптические приборы
ISBN: 5-94010-372-8
Год: 2004
Текст
I B.B. Тарасов
I Ю.Г. Якушенков
ИНФРАКРАСНЫЕ
I СИСТЕМЫ
«СМОТРЯЩЕГО»
ТИПА
I
В.В. Тарасов
Ю.Г. Якушенков
ИНФРАКРАСНЫЕ
СИСТЕМЫ
«СМОТРЯЩЕГО»
ТИПА
Й
МОСКВА • ЛОГОС • 2004
УДК 621.384.3
ББК 32.86-5-01
Т19
Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г.
Т19 Инфракрасные системы «смотрящего» типа. - М.: Логос, 2004. - 444 с.+8 с. цв. вкл.
ISBN 5-94010-372-8
Излагаются физические основы и принципы построения инфракрасных систем
«смотрящего» типа, т.е. систем, в которых основным узлом является фотоприемное уст-
ройство, осуществляющее пространственную выборку изображения с помощью матрич-
ного многоэлементного приемника излучения. Описываются основные узлы таких ин-
фракрасных систем, отмечаются особенности обработки сигналов в этих узлах, приво-
дятся данные о современном уровне развития их элементной базы. Приводится большое
число примеров использования инфракрасных систем «смотрящего» типа в различных
отраслях науки, техники, народного хозяйства, в военном деле. Рассматриваются тен-
денции и перспективы развития этих систем.
Для разработчиков и потребителей средств инфракрасной техники. Может использо-
ваться в учебном процессе высших и средних специальных учебных заведений по на-
правлениям в области оптотехники, фотоники и оптоинформатики.
ББК 32.86-5-01
ISBN 5-94010-372-8
© Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г., 2004
© «Логос», 2004
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие..............................................................7
Глава 1. Классификация и структура инфракрасных систем.....................12
1.1. Классификация инфракрасных систем..................................12
1.2. Структурные схемы типовых инфракрасных систем «смотрящего» типа....17
Глава 2. Физические основы инфракрасного излучения.........................20
2.1. Основные понятия радиометрии и фотометрии..........................20
2.2. Законы теплового излучения.........................................28
Глава 3. Учет влияния атмосферы на параметры и характеристики оптических
сигналов, поступающих на вход инфракрасной системы.........................34
3.1. Ослабление оптических сигналов в атмосфере.........................34
3.1.1. Поглощение.....................................................36
3.1.2. Рассеяние......................................................38
3.2. Статистически усредненные модели пропускания атмосферы.............44
3.3. Флуктуации прозрачности атмосферы и их влияние на работу ИКС............47
3.4. Влияние атмосферы на контраст между наблюдаемым объектом и фоном........51
3.5. Передаточная функция атмосферы.....................................51
Глава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы
инфракрасных систем........................................................54
4.1. Основные критерии качества ИКС.....................................54
4.2. Разрешение.........................................................56
4.2.1. Пространственное (геометрооптическое) разрешение...............56
4.2.2. Энергетическое разрешение......................................60
4.2.3. Температурное и температурно-частотное разрешение..............61
4.3. Зависимость показателей эффективности работы ИКС от пространственного и
температурного разрешения...............................................66
4.4. Национальная шкала оценок интерпретации изображений NIIRS (США)....69
4.5. Зависимость вероятности обнаружения объекта от времени наблюдения сцены.71
4.6. Информационные критерии качества ИКС...............................71
4.7. Некоторые конструктивные параметры ИКС.............................73
Глава 5. Энергетические расчеты инфракрасных систем........................75
5.1. Энергетическая модель инфракрасной системы.........................75
5.2. Расчет потоков и облученностей на входном зрачке системы...........79
5.3. Расчет отношения сигнал-шум на выходе приемника излучения..........82
5.4. Расчет эквивалентной шуму разности температур......................85
Глава 6. Оптические системы ИКС «смотрящего» типа..........................91
6.1. Особенности оптических систем, их основные параметры и характеристики...91
6.2. Оптические материалы для ИК-области спектра........................99
6.3. Предварительный выбор типа оптической системы.....................106
6.4. Расчет некоторых параметров оптической системы..........................115
6.5. Дифракционные элементы в инфракрасных оптических системах.........118
6.6. Некоторые особенности оптических систем приборов ночного
видения и систем отображения информации................................123
4
Инфракрасные системы «смотрящего» типа
Глава 7. Многоэлементные матричные приемники оптического излучения..........129
7.1. Структурные схемы фотоприемных устройств с матричными
многоэлементными приемниками излучения.................................129
7.2. Параметры и характеристики многоэлементных приемников излучения...133
7.3. Шумы фотоприемных устройств и их вклад в общий шум ИКС............137
7.4. Современные охлаждаемые матричные многоэлементные
приемники излучения......................................................140
7.4.1. Матричные многоэлементные приемники излучения
на соединении «кадмий-ртуть-теллур»...................................141
7.4.2. Приемники излучения PtSi/Si, GeSi/Si и InSb, работающие
в диапазоне 3...5 мкм...............................................146
7.4.3. Приемники излучения с квантовыми ямами
(на квантово-размерных ямах)........................................150
7.4.4. Сравнение различных типов охлаждаемых приемников.............156
7.5. Современные неохлаждаемые матричные многоэлементные
приемники излучения....................................................159
7.5.1. Приемники на основе резистивных микроболометров..............161
7.5.2. Диэлектрические (ферроэлектрические) микроболометры..........167
7.5.3. Фотонные неохлаждаемые матричные приемники излучения.........169
7.5.4. Термоэлектрические матричные МПИ.............................170
7.5.5. Многоэлементные приемники на биморфных элементах с оптическим
считыванием и микроконсольные емкостные приемники...................171
7.5.6. Сравнение различных типов неохлаждаемых матричных
многоэлементных приемников излучения................................174
7.6. Двухдиапазонные матричные приемники излучения.....................175
7.7. Определение исходных требований к основным параметрам и характеристикам
многоэлементного приемника излучения...................................182
7.8. Устройства охлаждения и температурной стабилизации матричных
многоэлементных приемников...............................................190
7.8.1. Системы с разомкнутым циклом или системы расходного типа.....192
7.8.2. Радиационные системы или пассивные излучатели..................193
7.8.3. Системы с замкнутым циклом или механические холодильные машины.193
7.8.4. Сорбционные устройства охлаждения............................197
7.8.5. Твердотельные холодильники или термоэлектрические охладители.198
Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
инфракрасных изображений..................................................202
8.1. Электронно-оптические преобразователи изображений.................202
8.2. Передающие телевизионные трубки инфракрасного диапазона...........217
8.3. Пировидиконы (пириконы)...........................................221
Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в инфракрасных системах
«смотрящего» типа.........................................................225
9.1. Структурная схема обработки сигналов в ИКС «смотрящего» типа......225
9.2. Выборка сигнала и ее влияние на параметры
и характеристики инфракрасных систем...................................227
9.3. Микросканирование.................................................235
9.4. Цифровая фильтрация...............................................240
9.5. Реконструкция изображения.........................................241
Оглавление
5
Глава 10. Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке
инфракрасной системы «смотрящего» типа.....................................244
10.1. Структурная схема электронного тракта ИКС «смотрящего» типа.......244
10.2. Схемы считывания сигналов............................................247
10.2.1. Назначение и показатели качества схем считывания сигналов....247
10.2.2. Предусилители и схемы включения чувствительных элементов
и ячеек схем считывания..............................................249
10.3. Мультиплексоры....................................................257
10.3.1. Мультиплексоры на ПЗС........................................257
10.3.2. Мультиплексоры с прямой адресацией и сканированием...........258
10.4. Двойная коррелированная выборка...................................259
10.5. Коррекция неоднородности параметров МПИ...........................260
Глава 11. Системы отображения информации...................................266
11.1. Некоторые свойства зрительного аппарата человека..................266
11.2. Параметры систем отображения......................................270
11.3. Основные типы систем отображения..................................271
11.3.1. Дисплеи на катодно-лучевых трубках...........................271
11.3.2. Вакуумно-люминесцентные дисплеи..............................274
11.3.3. Электролюминесцентные дисплеи................................275
11.3.4. Светодиодные дисплеи.........................................276
11.3.5. Газоразрядные панели.........................................276
11.3.6. Жидкокристаллические дисплеи.................................277
11.3.7. Микро дисплеи................................................280
11.4. Нашлемные и наголовные системы отображения на микродисплеях.......281
Глава 12. Испытания и исследования инфракрасных
систем «смотрящего» типа...................................................285
12.1. Общие сведения об испытаниях оптико-электронных приборов..........285
12.2. Аппаратура для проведения стендовых оптических испытаний..........291
12.2.1. Схемы стендов для проведения оптических испытаний ИКС........291
12.2.2. Излучатели, используемые в стендах для испытаний
и исследований ИКС...................................................294
12.2.3. Излучающие маски-транспаранты................................297
12.2.4. Коллиматоры..................................................302
12.2.5. Системы считывания...........................................306
12.3. Определение некоторых важнейших показателей качества
ИКС «смотрящего» типа...................................................307
12.3.1. Плоскость наилучшего изображения.............................307
12.3.2. Чувствительность.............................................307
12.3.3. Шумы и энергетическое разрешение.............................310
12.3.4. Пространственное разрешение..................................311
12.3.5. Температурно-частотное разрешение............................314
12.3.6. Автоматизация измерений основных параметров и характеристик ИКС.316
Глава 13. Компьютерное моделирование инфракрасных систем
«смотрящего» типа..........................................................321
13.1. Обобщенная структурная схема компьютерной модели
оптико-электронной системы.................................................321
13.2. Краткий обзор компьютерных моделей инфракрасных систем
«смотрящего» типа..........................................................327
6
Инфракрасные системы «смотрящего» типа
13.3. Компьютерная модель КОМОС........................................336
13.4. Передаточные функции отдельных звеньев инфракрасной системы......340
13.4.1. Оптическая система..........................................341
13.4.2. Многоэлементный приемник излучения..........................342
13.4.3. Электронный тракт...........................................343
13.4.4. Система отображения.........................................344
13.4.5. Глаз наблюдателя............................................345
13.4.6. Платформа или основание, на котором установлена система.....346
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития
инфракрасных систем «смотрящего» типа.....................................347
14.1. Общая характеристика современных ИКС «смотрящего» типа...........347
14.2. Инфракрасные системы военного назначения.........................356
14.2.1. Системы наблюдения, разведки и охраны наземного базирования.356
14.2.2. Инфракрасные визирные и прицельные устройства
для легкого и среднего вооружения...................................368
14.2.3. Инфракрасные системы для артиллерии и бронетанковых средств.371
14.2.4. Системы воздушного базирования..............................372
14.2.5. Системы морского базирования, предназначенные
для наблюдения, обнаружения и распознавания целей...................377
14.2.6. Инфракрасные системы «смотрящего» типа в ракетной технике...381
14.3. Инфракрасные системы для управления транспортными средствами.....385
14.3.1. Инфракрасные наголовные и нашлемные системы
(очки ночного видения)..............................................385
14.3.2. Средства вождения наземного и водного транспорта............390
14.4. Инфракрасные системы, используемые правоохранительными
и другими органами и службами..........................................397
14.5. Инфракрасные системы в экологическом дистанционном мониторинге...401
14.6. Применение инфракрасных систем «смотрящего» типа
в промышленности и строительстве.......................................403
14.7. Инфракрасные системы «смотрящего» типа в медицине, биологии,
астрономии и других отраслях науки.....................................405
14.8. Общие тенденции развития ИКС «смотрящего» типа...................408
Библиография..............................................................430
ПРЕДИСЛОВИЕ
Оптико-электронные системы визуализации невидимых человеческому глазу изо-
бражений, создаваемых в рентгеновском, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазо-
нах спектра, находят широкое применение в самых различных областях науки, техники,
народного хозяйства. Целью визуализации обычно является обеспечение возможности
восприятия человеком информации об окружающем мире или об отдельных объектах в
удобном для него виде - в оптических образах или изображениях.
В настоящее время наиболее распространены инфракрасные системы визуализации,
т.е. системы, принимающие сигналы в инфракрасной области спектра и преобразую-
щие их в видимые изображения. Во многом это объясняется тем, что именно в этой об-
ласти сосредоточена основная доля собственного электромагнитного излучения боль-
шинства окружающих нас объектов естественного и искусственного происхождения.
Следуя рекомендациям ряда международных и отечественных организаций, зани-
мающихся научно-технической терминологией (Международная комиссия по освеще-
нию, Комитет научно-технической терминологии Российской академии наук и др.), в
книге отдано предпочтение терминам «инфракрасная система» и «оптико-электронная
система визуализации», хотя довольно распространенное сегодня название «тепловизи-
онная система», по мнению авторов, имеет право на использование.
В конце 90-х годов XX в. начался новый этап развития инфракрасных систем (ИКС),
что было вызвано, в первую очередь, заметным совершенствованием и, как следствие,
расширением применения двумерных (матричных) многоэлементных приемников из-
лучения (МПИ), позволяющих реализовать методы электронного сканирования и про-
странственной выборки инфракрасных изображений, т.е. отказаться от оптико-
механических сканирующих устройств. Опрос отдельных элементов МПИ с после-
дующей обработкой получаемых при этом электрических сигналов принято называть
«смотрящим» режимом работы, а сами системы - системами «смотрящего» типа {star-
ing systems').
Наряду с созданием МПИ высокого разрешения и большого формата на развитие
ИКС «смотрящего» типа, называемых часто ИКС 3-го поколения, заметное влияние ока-
зало и оказывает разработка новых полноформатных ПЗС- и КМОП-схем считывания и
первичной обработки сигналов с отдельных элементов МПИ. Дальнейший прогресс ожи-
дается в связи с совершенствованием малогабаритных неохлаждаемых двумерных МПИ,
появлением новых оптических материалов и элементов, снижением массы, габаритов и
энергопотребления и, конечно же, с уменьшением стоимости этих систем.
8
Предисловие
Продолжается интенсивное развитие теории и методов расчета и проектирования
ИКС «смотрящего» типа, что связано не только с совершенствованием их элементной
базы, но и с необходимостью учитывать ряд новых факторов, а также решать новые, не
встречавшиеся ранее задачи и даже проблемы, связанные, например, с резким увеличе-
нием объема информации, которую нужно обрабатывать в реальном масштабе времени,
с особенностями пространственной и временной выборки высокого разрешения и ряд
других.
Ведущие в научно-техническом отношении страны постоянно увеличивают расходы
на исследования в области формирования и визуализации инфракрасных изображений.
Так, по данным журнала «Photonics Spectra» (2001. № 9. С. 104) еще в 2000 г. Мини-
стерство обороны США инвестировало в эти исследования и разработки более милли-
арда долларов (в Японии и Великобритании подобные инвестиции составили 182,4 и
150 млн долл, соответственно). Ряд появившихся в 2001-2003 гг. сообщений позволяет
говорить о качественном скачке в развитии ИКС и прежде всего систем «смотрящего»
типа.
Все отмеченное определяет большой интерес широкого круга потребителей к ИКС
«смотрящего» типа. Очевидно именно этим в первую очередь объясняется огромное,
увеличивающееся с каждым годом число публикаций, посвященных разработке, иссле-
дованиям и применению таких систем. Ежегодно только под эгидой Международного
общества по оптической технике (SPIE) проходит несколько представительных между-
народных конференций по тематике, непосредственно связанной с ИКС «смотрящего»
типа. Издаются десятки сборников трудов этих конференций. В 2001-2002 гг. за рубе-
жом вышли в свет несколько монографий, посвященных этим системам.
В то же время в нашей стране появляется очень мало информации об ИКС вообще и
«смотрящего» типа в частности, что не соответствует интересу к их развитию и исполь-
зованию при решении весьма широкого круга важных проблем и задач. Практически
нет монографий, посвященных ИКС третьего поколения.
Авторы поставили перед собой задачу устранить, по возможности, этот пробел. По-
тенциальные читатели, являющиеся разработчиками или пользователями ИКС, а также
просто интересующиеся этой весьма интересной отраслью современного оптико-
электронного приборостроения, могут задаться вопросами: какая ИКС наилучшим об-
разом решает ту или иную практическую задачу, каковы возможности современных
ИКС и каковы перспективы их развития. При этом читатель на первом этапе может ин-
тересоваться не деталями расчета и проектирования отдельных звеньев системы, а дос-
таточно общими принципами ее построения и возможностью получения требуемых по-
казателей качества системы при существующей или-имеющейся в его распоряжении
элементной базе. Подробное описание процесса проектирования ИКС, позволяющее
полностью выполнить разработку этих систем, выходит за рамки настоящей книги и не
соответствует ее назначению. В то же время в отдельных главах книги приводятся оп-
ределенные сведения (формулы, таблицы, графики, рекомендации и т.п.), позволяющие
использовать инженерный подход и простые методы расчета для решения часто встре-
чающих задач по схемотехническому и параметрическому анализу и синтезу рассмат-
Предисловие
9
риваемых ИКС. Поэтому авторы не стремились углубляться в области физики, техники
и технологии ИКС и использовать сложный математический аппарат, требуемый для
полного и всестороннего описания работы ИКС и их отдельных звеньев. Они предпо-
чли достаточно популярно изложить принципиальные схемотехнические и конструк-
тивные особенности этих систем, учитывая возможность заинтересованного читателя
обратиться к многочисленным монографиям и статьям, где эти вопросы подробно изла-
гаются. Кроме того предполагается, что наиболее заинтересованный в практическом
использовании материалов этой книги читатель знаком с основами оптико-
электронного приборостроения, т.е. с основами оптики, физики полупроводников,
электроники, метрологии в объеме дисциплин, преподаваемых в средних профессио-
нальных учебных заведениях и на младших курсах технических вузов.
Основное внимание в настоящей книге уделено аспектам визуализации инфракрас-
ных изображений. Широко известные в медицине и научных исследованиях системы
визуализации изображений, получаемых в рентгеновском и ультрафиолетовом участках
спектра, здесь не рассматриваются, прежде всего, в силу специфики физики излучения
в этих диапазонах и соответствующей элементной базы. В то же время необходимо от-
метить, что ряд рассматриваемых в книге вопросов может быть полезен и для разра-
ботчиков и потребителей систем, работающих не только в инфракрасном, но и в других
участках оптического диапазона.
То же самое можно сказать об ИКС, в основе работы которых лежит активный ме-
тод, например, метод активно-импульсной подсветки наблюдаемых объектов и сцен ла-
зерным излучением, поскольку им также свойственна своя специфика, не рассматри-
ваемая в данной книге. Заинтересованный читатель может обратиться к достаточно
обширной литературе, где рассматриваются такие системы [27, 51, 151 и др.].
Основной материал книги разбит на 14 отдельных глав. В гл. 1 приводятся варианты
классификации и рассматриваются структурные схемы наиболее распространенных
ИКС. Краткому изложению физических основ инфракрасного излучения и способов
учета влияния атмосферы на оптические сигналы, переносимые этим излучением, по-
священы главы 2 и 3.
Основные, наиболее часто используемые на практике критерии качества ИКС рас-
сматриваются в гл. 4, где основное внимание уделено критериям, характеризующим
пространственное и температурное разрешение системы. В гл. 5 приводятся зависимо-
сти, позволяющие рассчитать важнейшие из этих критериев.
Главы 6-11 посвящены отдельным звеньям ИКС «смотрящего» типа. В гл. 6 описы-
ваются особенности оптических схем, используемых в таких ИКС, приводятся сведе-
ния о материалах оптических систем, даются простейшие рекомендации по выбору оп-
тической системы ИКС «смотрящего» типа. Глава 7 содержит сведения о современных
матричных приемниках излучения и фотоприемных устройствах на их основе, рабо-
тающих в инфракрасном диапазоне. Материал гл. 7 должен дать читателю возможность
сопоставить приемники различных типов и выбрать наиболее подходящий для решения
той или иной практической задачи. Здесь же очень кратко описываются системы охла-
ждения, обеспечивающие работу многих фотоприемных устройств. Специфическим
10
Предисловие
приемникам излучения - электронно-оптическим преобразователям, телевизионным
трубкам и пириконам, которые наряду с функцией приема и преобразования потока ис-
пользуются и для первичной обработки изображения, - посвящена гл. 8.
Процессы обработки сигналов в системах «смотрящего» типа рассматриваются в
гл. 9. Здесь, в основном кратко, рассмотрены теоретические аспекты такой обработки и
ее особенности, свойственные ИКС «смотрящего» типа. В гл. 10 более подробно опи-
саны процессы обработки сигналов в электронном тракте ИКС, а в гл. 11 - последний
этап преобразования сигнала в системе - получение видимого изображения и его оцен-
ка зрительным аппаратом человека-наблюдателя.
Главы 12 и 13 посвящены испытаниям и исследованиям ИКС «смотрящего» типа, а
также компьютерному моделированию, играющему все большую роль в процессе их
проектирования.
В последней, гл. 14 книги приводятся примеры эффективного использования ин-
фракрасных систем в самых различных областях науки, техники, народного хозяйства.
Глава завершается обзором основных тенденций развития ИКС.
Работа над книгой потребовала обобщения и критического анализа огромного коли-
чества публикаций (монографий, статей, сообщений и т.п.), рекламных и подобных им
материалов отечественных и зарубежных организаций и фирм, многие из которых во-
шли в библиографию, завершающую книгу.
В книге приводится много таблиц параметров и характеристик ИКС «смотрящего»
типа и их основных узлов и элементов. Эти таблицы составлялись на основе данных,
содержащихся в большом числе опубликованных источников информации. В ряде та-
ких источников не дается информация о том, является ли фирма, публикующая эти
данные, их изготовителем или используются полностью или частично разработки дру-
гих фирм.
Иногда в различных публикациях не совпадают данные о параметрах и характери-
стиках отдельных систем, маркируемых одинаково. В ряде случаев это объясняется
различиями в назначении и условиях эксплуатации систем, состоящих из одних и тех
же модулей (объектив, многоэлементный приемник излучения, электронный тракт,
система обработки или отображения получаемой информации). В других случаях такие
несовпадения обусловлены некоторой модернизацией однотипных модулей, предпри-
нимаемой фирмой, которая не является их разработчиком, но создает на их основе свои
системы (порой даже не указывая в своих проспектах и других рекламных материалах
разработчика основных элементов этих систем). Иногда это объясняется разницей во
времени опубликования результатов тех или иных разработок или исследований ИКС и
выходом этих изделий на рынок.
В процессе создания книги авторы в течение последних трех лет постоянно обсуж-
дали структуру отдельных глав, для каждой из них совместно принимали решение о
наиболее рациональном варианте, наконец, постоянно вместе корректировали содержа-
ние книги, стремясь не отставать от непрерывно растущего потока публикаций по рас-
сматриваемой тематике. Поэтому выделить вклад каждого из соавторов в подготовку и
написание того или иного раздела книги весьма трудно, а упреки за недостатки и недо-
Предисловие
11
четы, которые, естественно, могут выявиться при чтении книги объективно настроен-
ным читателем, авторы предпочитают делить поровну.
Авторы широко пользовались советами и помощью своих друзей и коллег, чьи мно-
гочисленные и нелицеприятные замечания очень помогали в процессе создания книги.
Нам особенно хотелось бы поблагодарить кандидатов технических наук А.Е. Здобни-
кова и П.В. Бирюлина, чьи советы и замечания к главам 7, 9 и 10 авторы постарались
учесть в максимально возможной степени. Большой вклад в подготовку рукописи к пе-
чати внесли И.А. Хромова, М.А. Дубенская, О.Б. Яковлев, которым авторы также при-
носят свою глубокую искреннюю благодарность.
Авторы признательны профессорам, докторам техн, наук Э.Д. Панкову и Л.Ф. Пор-
фирьеву, а также кандидату техн, наук О.В. Смолину за ценные предложения и замеча-
ния, сделанные в процессе рецензирования рукописи книги.
Глава 1
КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА
ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
В основу классификации многообразных инфракрасных систем (ИКС) могут быть
положены различные признаки, а иногда и показатели эффективности или качества их
работы. К числу таких признаков относятся следующие.
Назначение или область применения ИКС. Сегодня эти системы широко и с ус-
пехом используются в самых различных областях науки, техники, народного хозяйства:
в военном деле, при исследовании природных ресурсов, в медицине, при дистанцион-
ном зондировании и экологическом мониторинге, в картографии, при контроле состоя-
ния инженерных сооружений, в энергетике и др.
В ряде случаев выделяют две группы ИКС, к одной из которых относят системы,
предназначенные для визуализации инфракрасных изображений (тепловизионные сис-
темы), а к другой - системы, служащие для радиометрических измерений, т.е. для из-
мерений температуры объектов, их яркости и других параметров (радиометрические
системы). В настоящей книге преимущественно рассматриваются вопросы, относящие-
ся к ИКС первой из этих групп.
В [142] предлагается различать четыре подгруппы тепловизионных систем:
- профессионального телевидения и любительская аппаратура;
- технического (машинного) зрения;
- для научных исследований;
- военного назначения.
Системы первой подгруппы должны отвечать ряду требований, предусмотренных
стандартами для вещательного телевидения и бытовой аппаратуры. Так, формат кадра
(число разрешаемых по горизонтали и по вертикали элементов) должен соответство-
вать полосе частот, обусловленной телевизионным стандартом. Для получения удовле-
творительного изображения достаточно 8 бит (256) уровней передачи яркости - уровней
серого. Обычно при этом требуется цветное изображение. Системы должны работать в
реальном масштабе времени, причем выходным устройством для них является экран сис-
темы отображения (дисплей, монитор). Часто не предъявляются высокие запросы к чув-
ствительности (к отношению сигнал-шум). Иногда такие ИКС используются в качестве
систем второй и третьей подгрупп.
1.1 Классификация ИКС
13
Системы технического зрения позволяют определять пространственное положение,
форму, параметры движения различных объектов, часто в сложных эксплуатационных
условиях (при высокой температуре, большой влажности и т.д.). Они используются в
машиностроении, строительстве, неразрушающем контроле. Для них, как правило, не-
обязательно следование стандартному телевизионному формату, но требования к про-
странственному и временному разрешению могут быть велики, хотя и не всегда. Обыч-
но в этих системах достаточно квантования по яркости порядка 8 бит. Иногда важна
цветность изображения. Здесь требования к пороговой чувствительности системы так-
же сравнительно невелики, так как в большинстве случаев возможна подсветка наблю-
даемых объектов. Такие ИКС чаще всего функционируют в реальном масштабе време-
ни, причем срок непрерывной работы может быть весьма велик.
Системы для научных исследований и медицины должны, как правило, обладать
высоким пространственным (до 5000x5000 элементов) и энергетическим (до 16 бит)
разрешением и иметь малый уровень собственных шумов. К ним часто причисляют
системы для исследования природных ресурсов и экологического мониторинга, хотя их
можно отнести и ко второй группе ИКС. Для многих из таких ИКС не обязательна ра-
бота в реальном масштабе времени, т.е. выходной сигнал можно записывать на носи-
тель в виде фотопленки, магнитной ленты, CD-диска, а не наблюдать на экране в про-
цессе работы ИКС.
Системы военного назначения функционируют, как правило, в реальном масштабе
времени, хотя у некоторых из них отображаемая информация фиксируется на жестком
носителе. К таким ИКС относятся системы наземной, воздушной и космической раз-
ведки, системы обнаружения всевозможных целей (в том числе определение координат
пусков ракет), системы управления огнем, системы сопровождения и опознавания це-
лей, головки самонаведения ракет, навигационные системы и др. Они должны обладать
высоким пространственным разрешением, обеспечивать высокий контраст в условиях
низкой освещенности объектов, иметь высокое энергетическое разрешение (до
10... 12 бит), малый уровень собственных шумов и высокое быстродействие.
Иногда эту классификацию расширяют, говоря об ИКС военного или гражданского
(коммерческого) применения.
Спектральный диапазон оптического сигнала, приходищего на вход ИКС и со-
держащего информацию о наблюдаемом объекте или явлении. Инфракрасный диа-
пазон оптического излучения волн с длинами 0.76...1Q00 мкм часто разделяется на от-
дельные поддиапазоны (см., например, табл. 1.1). Некоторые ИКС работают одновре-
менно в нескольких поддиапазонах.
Метод работы ИКС. Как и другие оптико-электронные системы, ИКС могут дейст-
вовать по собственному отраженному излучению наблюдаемых или контролируемых
объектов и/или по отраженному от них излучению, создаваемому естественными источ-
никами, например Солнцем (пассивный метод), либо по отраженному или рассеиваемому
объектом излучению, искусственно создаваемому специальным источником (активный
метод). Примером ИКС первого типа являются «бесподсветочные» системы переднего
обзора (forward looking infrared или FLIR-системы), второго - лазерные системы видения
14
Глава 1. Классификация и структура инфракрасных систем
(системы с «подсветкой» объекта лазерным излучением ИК-диапазона). Иногда исполь-
зуется полуактивный метод, когда облучается («подсвечивается») сравнительно широкое
угловое поле, в котором находится не один, а несколько объектов [61].
Таблица 1
Деление инфракрасного диапазона спектра на поддиапазоны
Наименование ИК-поддиапазона Длины волн, мкм
Ближний 0,76...1,1
Коротковолновый 1,1...2,5
Средневолновый 3,0...5,0
Длинноволновый 8,0... 14,0
Дальний 15,0... 1000
Способ анализа наблюдаемого или контролируемого пространства. Обычно ис-
следуемое или контролируемое пространство (поле, плоскость) анализируется путем
пространственной и пространственно-временной выборки параметров оптического сиг-
нала (яркости, освещенности) в отдельных участках этого пространства, т.е. путем ска-
нирования, хотя известны простейшие ИКС, например достаточно широкоугольные про-
стейшие системы обнаружения невидимых человеческому глазу излучателей, где можно
обойтись без сканирования. Сканирование (одноэлементное, параллельное и последова-
тельное [34, 40, 61]) может проводиться в пространстве объектов или их изображений и
различаться по ряду характерных признаков (траектории сканирования, закону сканиро-
вания и ряду других). В последние десятилетия часто говорят об ИКС «смотрящего» типа
и о сканирующих ИКС, относя к первым системы, в которых для анализа поля использу-
ют аналоги органов зрения живых существ - многоэлементные матричные приемники
оптического излучения (focal plane array - FPA), а ко вторым - системы с относительным
взаимным перемещением изображения анализируемого поля и одноэлементного, а чаще
многоэлементного приемника в виде линейки отдельных чувствительных элементов. Хо-
тя такая терминология представляется не вполне строгой, так как в большинстве случаев
и в системах «смотрящего» типа выполняется не одновременный анализ сигналов, сни-
маемых со всех элементов матричного приемника, а последовательная по времени про-
странственная их выборка, порой по достаточно сложному закону, однако она установи-
лась в литературе, и в дальнейшем мы будем ее придерживаться.
Способ обработки информации. Обычно на вход ИКС поступает аналоговый пер-
вичный оптический сигнал, который затем подвергается аналоговой, цифровой или
смешанной обработке. В последние годы предпочтение отдается цифровой обработке,
при которой обеспечивается большая устойчивость сигнала к помеховым воздействи-
ям, лучшее качество системы передачи и воспроизведения изображения.
Тип преобразователя оптического сигнала в электрический (тип приемника
оптического излучения, часто являющего и первичным анализатором изображе-
ния). Это один из наиболее значимых признаков классификации ИКС, которая может
1.1 Классификация ИКС
15
базироваться как на физическом принципе работы приемника излучения, так и на осо-
бенностях его конструкции. Здесь различают: электронно-оптические преобразователи
(ЭОП); фотоэлектровакуумные передающие телевизионные трубки с накоплением или
без накопления сигналов; многоэлементные твердотельные приемники оптического из-
лучения (тепловые и фотонные, охлаждаемые и неохлаждаемые, болометрические, фо-
тодиодные, фоторезисторные и др.). Поскольку сегодня именно приемник-преобразо-
ватель оптического сигнала во многом определяет возможности и критерии качества
работы ИКС, в том числе и такие важные, как технико-экономические, именно на этом
признаке классификации будет строиться дальнейшее изложение материала.
Вид выходного устройства (системы отображения информации). Требуемая
конкретным назначением ИКС форма представления выходного сигнала определяет
вид системы отображения или, в более общем случае, выходного устройства, которым
может быть приемная телевизионная трубка, дисплеи различного типа, наконец, элек-
тронно-вычислительная машина (ЭВМ, компьютер). Выбор выходного устройства или
системы отображения часто во многом определяется свойствами зрительного аппарата
человека-наблюдателя или оператора.
Очевидно, можно использовать и другие классифицирующие признаки, например
технико-экономические и конструктивные параметры и характеристики ИКС. Так,
различают ИКС с системой охлаждения и без таковой, поскольку от наличия или от-
сутствия системы охлаждения приемника излучения и всего фотоприемного устройст-
ва (ФПУ), в которое он входит, заметно зависят важнейшие технико-экономические
параметры и характеристики ИКС - габариты и масса, энергопотребление, срок непре-
рывной работы, время выхода на рабочий режим после включения, наконец, стои-
мость.
Часто по совокупности отдельных свойств и особенностей ИКС и их отдельных
звеньев, прежде всего по конструктивным признакам, параметрам и характеристикам,
различают системы различных поколений, например ЭОП 1, 2, 3 и 4-го поколений или
ИКС в целом 1, 2, 3 и 4-го поколений (ИКС с одноэлементным приемником излучения
и оптико-механическим мультиплексированием выходного сигнала; ИКС с оптико-
механическим сканированием, приемником в виде линейки чувствительных элементов
и оптико-электронным мультиплексированием выходного сигнала; ИКС «смотрящего»
типа с матричным приемником и ИКС «смотрящего» типа с матричным приемником,
работающим в нескольких спектральных диапазонах).
Некоторые перечисленные признаки классификации используются на этапах систе-
ме- и схемотехнического проектирования ИКС, другие - на этапах параметрического
анализа и синтеза этих систем. Важно помнить, что классификация - не самоцель, а од-
но из средств обобщения системного методологического подхода к созданию новых и
модернизации имеющихся систем, при котором используются единые методы расчета,
проектирования, исследования и эксплуатации ИКС.
Основные задачи, решаемые с помощью оптико-электронных систем визуа-
лизации. Как уже отмечалось, применения ИКС весьма разнообразны. Однако можно
выделить ряд типовых задач, решаемых с их помощью. Для ИКС, предназначенных
16
Глава 1. Классификация и структура инфракрасных систем
для обнаружения объектов, наблюдения за ними, их распознавания, такими задачами
являются:
обнаружение - установление в процессе просмотра пространства наличия опреде-
ленного объекта в угловом поле ИКС или на экране системы отображения, в [151]
встречается термин «чистое обнаружение» (pure detection), обозначающий обнаружение
для двухальтернативной ситуации «что-то присутствует» (в угловом поле или на экране
монитора) и «ничего нет»; такая ситуация при ее оценке сводится к дискриминацион-
ному обнаружению, при котором делается выбор одного из двух решений: наблюдае-
мый объект есть интересующая нас цель или наблюдаемый объект есть что-то другое,
например участок фона или помеха);
классификация - фиксация того факта, что обнаруженный объект принадлежит к не-
которому достаточно широкому классу, например к классу наземной военной техники
или к классу летательных аппаратов и т.п.;
распознавание — установление принадлежности объекта к сравнительно узкому
классу (типу), например, что объект является не просто объектом военной техники, а
танком или автомобилем, самолетом или вертолетом и т.п.;
идентификация - конкретизация вида (типа) объекта внутри его класса, например
определение модели (марки) танка, самолета и т.п.
Иногда совокупность всех этих задач несколько упрощенно называют обнаружени-
ем или распознаванием.
Решением всех указанных задач является получение статистических оценок, по-
скольку практически все ИКС работают в условиях случайных изменений сигналов,
поступающих от обнаруживаемых или распознаваемых объектов, на случайно изме-
няющихся фонах, при наличии помех и шумов, также описываемых случайными функ-
циями. Поэтому для оценки процессов обнаружения, классификации, распознавания и
идентификации применяются вероятности правильного или неверного решения постав-
ленной задачи.
Многие современные ИКС одновременно с решением указанных задач или их сово-
купности предназначены для измерения координат объектов (пеленгации или локации)
в статическом и динамическом (следящем) режимах, для целеуказания объектов или
других задач. Примером служат ИКС переднего обзора (FLIR-системы), широко ис-
пользуемые для обзора передней полусферы с борта летательного аппарата.
Во многом успешное решение перечисленных задач зависит от эффективности вы-
деления характерных признаков объекта: спектра его излучения, формы и размеров его
изображения, временного характера излучения, ориентации в пространстве и др., т.е. от
выделения параметров и характеристик многомерного оптического сигнала - носителя
информации об объекте.
1.2 Структурные схемы типовых ИКС
17
1.2 СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ТИПОВЫХ
ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
На обобщенной структурной схеме ИКС «смотрящего» типа [61] (рис. 1.1) показаны
лишь основные звенья типовой ИКС, участвующие в преобразовании оптического сиг-
нала, характеризующего пространство объектов в невидимой области спектра, в види-
мое изображение, воспринимаемое наблюдателем. В состав ИКС могут входить и дру-
гие звенья, например система стабилизации оптической оси или линии визирования.
Более подробно отдельные звенья ИКС будут рассмотрены далее. Здесь же важно отме-
тить, что создание достаточно качественной системы возможно лишь при учете пара-
метров и характеристик всех звеньев ИКС, включая параметры и характеристики объ-
ектов наблюдения, помех, фонов, среды распространения оптических сигналов, осно-
вания или платформы, на которой устанавливается ИКС, а также человека-
наблюдателя.
Одними из распространенных и давно известных ИКС [16, 31] являются приборы
ночного видения. В них объектив в плоскости фотокатода электронно-оптического
преобразователя (ЭОП) строит изображение, которое затем, например с помощью
Системы:
- обнаружения
- измерения
- слежения
- контроля
- сопровождения
- получения графической
информации
- компьютер и т.д.
ИКС
Оптическая система
Электронный блок
обработки информации
Многоэлементный матричный
приемник излучения
Объекты, помехи, фоны
Среда (атмосфера)
Система
отображения
Наблюдатель
Рис. 1.1. Обобщенная структурная схема ИКС «смотрящего» типа
18
Глава 1. Классификация и структура инфракрасных систем
фокусирующей-отклоняющей системы, переносится на экран-анод. Происходящее при
таком переносе увеличение кинетической энергии фотоэлектронов вызывает свечение
люминесцентного экрана в видимой области спектра. Видимое изображение через оку-
ляр наблюдается человеком-оператором.
При малых уровнях освещенности пространства объектов в состав ИКС «смотряще-
го» типа с многоэлементным матричным приемником излучения между объективом и
твердотельным приемником или передающей телевизионной трубкой иногда включают
усилители яркости изображения (рис. 1.2). Такой усилитель работает как ЭОП, в кото-
ром кинетическая энергия фотоэлектронов увеличивается с помощью электронной сис-
темы переноса изображения с фотокатода на анод.
В качестве электронного тракта обработки информации можно использовать раз-
личные устройства, в том числе и компьютер. Выходным устройством может быть мо-
нитор (дисплей), отображающий информацию в реальном масштабе времени, а также
принтер или устройство записи и хранения информации, например фотопленка, маг-
нитная лента, CD-диск, обеспечивающие получение или тиражирование изображений в
виде «твердых» копий. Иногда эти устройства работают параллельно. Применяемая во
многих ИКС двухступенчатая схема преобразования изображения во многом объясня-
ется желанием преобразовать аналоговый оптический сигнал (изображение) в более
удобную цифровую форму, для чего и используется многоэлементный твердотельный
приемник излучения или передающая электронная трубка в сочетании с электронными
звеньями, преобразующими аналоговый сигнал в цифровой.
Для обеспечения требуемого качества изображения аналоговый сигнал, снимаемый
с приемника, предварительно усиливается, а затем квантуется, т.е. преобразуется в
цифровую форму. Используя хорошо освоенные и весьма эффективные методы обра-
ботки цифровых изображений, можно отфильтровать сигнал от помех, а затем цифро-
вую форму изображения реконструировать в удобную для представления на экране мо-
нитора и восприятия его человеком-наблюдателем аналоговую форму.
В заключение рассмотрим обобщенную структурную схему лазерной системы виде-
ния, т.е. системы активного типа (рис. 1.3) [27]. Механизм работы и устройство отдель-
ных звеньев достаточно подробно описаны в литературе [15, 16, 27 и др.]. Помимо ука-
ИК-излучение
Рис. 1.2. Структурная схема ИКС «смотрящего» типа с промежуточным усилением яркости
изображения
1.2 Структурные схемы типовых ИКС
19
занных звеньев ИКС активного типа могут иметь в своем составе сканирующее устрой-
ство (как в передающем, так и в приемном каналах), обеспечивающее согласованную ра-
боту (синхронизацию) передающего и приемного каналов, например синхронное с пере-
мещением лазерного зондирующего пучка изменение угловой диаграммы приемного ка-
нала. При сканировании увеличивается поле обзора системы и улучшается ее помехоза-
щищенность. Блок обработки данных осуществляет цифровую обработку и формирова-
ние аналогового сигнала на телевизионном мониторе. Контроллер управления формирует
синхронизирующие и управляющие сигналы, индикацию режимов работы ИКС, выпол-
нение команд оператора.
В системе предусмотрена возможность предварительного наведения (вручную или
автоматически) на объект с помощью визирного устройства и привода подвижного ос-
нования или платформы. Такую систему можно комплексировать с системами целеука-
зания, пеленгаторами, локаторами, как оптико-электронными, так и радиоэлектронны-
ми или акустическими.
Рис. 1.3. Обобщенная структурная схема лазерной системы видения
Глава 2
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ РАДИОМЕТРИИ И ФОТОМЕТРИИ
Как известно, спектр электромагнитных колебаний делится на радиодиапазон (дли-
на волны А меняется от 1 мм до нескольких десятков километров), оптический диапазон
(А меняется от 1 нм = 10-3 мкм до 1 мм) и рентгеновский диапазон (X = 10 5...10 3 мкм).
Весьма широкий оптический диапазон в свою очередь подразделяют на инфракрасную
область (0,76 мкм...1 мм), видимую (0,40...0,76 мкм) и ультрафиолетовую (УФ) об-
ласть (10~3...0,4 мкм).
В зависимости от характера распределения энергии излучения по спектру выделяют
источники излучения с непрерывным спектром, к которым относятся источники тепло-
вого излучения (возникающего в результате теплового возбуждения частиц вещества:
атомов, молекул, ионов), источники с полосовыми и линейчатыми спектрами, к кото-
рым относятся люминесцентные излучатели и лазеры (энергия различных видов пре-
вращается в энергию излучения без промежуточного преобразования в тепловую), а
также источники смешанного типа, излучение которых наряду со сплошным спектром
имеет отдельные заметные полосы или линии.
Монохроматическое излучение, т.е. излучение с практически одной частотой v или
длиной волны А = c/v, можно представить как поток квантов с одинаковой энергией:
Eq = hv = hc\/k,
где h = 6,626-10-34 Дж-с - постоянная Планка; с0 » 3-108 м-с~’ - скорость распростране-
ния электромагнитного излучения в вакууме. Поскольку частота оптического излуче-
ния больше частоты радиоволн, кванты излучения в оптическом диапазоне мощнее,
чем в радиодиапазоне.
Важнейшей характеристикой излучения является поток Фе — средняя мощность, пе-
реносимая излучением за время, значительно большее периода электромагнитных ко-
лебаний. Распределение потока излучения в пространстве достаточно полно описыва-
ется следующими величинами.
2.1. Основные понятия радиометрии и фотометрии 21
Энергетическая светимость Ме - отношение потока излучения, испускаемого ма-
лым элементом поверхности по одну сторону от себя, т.е. в полусферу, к площади этого
элемента dA\.
Энергетическая освещенность (облученность) Ее — отношение потока излучения
с!Фе, падающего на малый элемент поверхности, к площади этого элемента dA2.
Сила излучения - отношение потока излучения с!Фе, распространяющегося от источ-
ника в определенном направлении внутри малого телесного угла, к этому телесному
углу dQ.it т.е.
Ze=J0e/Jf2,. (2.1)
Нужно отметить, что здесь имеется в виду точечный источник излучения, т.е. тело,
имеющее малые размеры по сравнению с расстоянием, на котором рассматривается его
действие (обычно в 5... 10 раз меньше расстояния между источником и облучаемой
плоскостью).
Энергетическая яркость излучающей поверхности в данном направлении - отно-
шение измеренной в этом направлении энергетической силы света к видимой площади
излучающей поверхности: =1а /dA,e , где - энергетическая сила света в направ-
лении 6ь dA.tt - видимая площадь элемента поверхности dA} в направлении, образую-
щем угол 0] с нормалью к элементу dA{. Так как rfA „ = dA}cos 0Ь то
10|
(2.2)
Для плоских источников с яркостью, одинаковой во всех направлениях, справед-
лив закон Ламберта, согласно которому сила излучения пропорциональна косинусу
угла 0]. Для поверхностей, подчиняющихся этому закону, cos0, = LedA{ cos6,,
откуда
А=/ео1 cos©,).
Закон Ламберта строго справедлив только для идеально рассеивающих или идеаль-
но поглощающих поверхностей. Широко используется следствие из закона Ламберта,
по которому устанавливается связь между Ме и Lc:
TlLe.
Качественной характеристикой каждой из указанных величин является ее спек-
тральная плотность, определяемая как отношение энергетической величины (осве-
щенности, силы света, яркости), взятой в малом спектральном интервале длин волн, к
ширине этого интервала ДА. Например, спектральная плотность энергетической свети-
мости М.=А/(Х) является величиной Ме, приходящейся на интервал Х...А.+ДА..
Связь между интегральными и спектральными характеристиками определяется вы-
ражениями вида
22
Глава 2. Физические основы инфракрасного излучения
со
М, = J М\ dk;
е о *•
00
Le = dk;
Mx=dMddk;
L^dLJdk и т.д.
При оценке мощности излучения по производимому им световому ощущению, т.е.
по реакции человеческого глаза на воздействие потока излучения, пользуются поня-
тиями о световом потоке и соответствующих световых величинах. Определения свето-
к, мкм
вых величин аналогичны определениям соответст-
вующих энергетических величин (табл. 2.1).
Человеческий глаз неодинаково чувствителен к
излучению различных длин волн. Если для некото-
рого излучателя измерить поток излучения в бес-
конечно малом диапазоне длин волн А....Х+ДХ и
световой поток, т.е. поток, воспринимаемый гла-
зом в том же диапазоне спектра, то отношение све-
тового и излучаемого Фе\ потоков будет харак-
теризовать спектральную световую эффективность
Кх=К(к)=Ф^/Фек.
Отношение для какой-либо длины волны из-
лучения к максимальному значению называ-
ется относительной спектральной световой эффек-
тивностью:
Рис.2.1. Кривая видимости для у = /К
сумеречного (1) и (2) дневного зрения v k 1пах’
где Хтах= 683 лм-Вт1 - световой эквивалент по-
тока излучения. Часто зависимость называют кривой спектральной чувствительно-
сти глаза или кривой видимости (рис. 2.1). Ее максимум для дневного зрения соответ-
ствует Хтах = 0,555 мкм, а для сумеречного ХП1ах = 0,505 мкм.
со
Если поток излучения определяется как Фс = f Фс, с1к, то очевидно, что световой
поток
СО 0,76 0,76
Ф = JKdD.dk = I KdD.dk = 683 I Vfl.dk.
V А. СА. . А СА А СА
0 0,4 0,4
Пределы интегрирования зависят от диапазона значений К^. Нужно отметить, что не
только для глаза, но и для любого селективного приемника, имеющего неодинаковую
чувствительность к излучению различных длин волн, оценка эффективности потока
может быть проведена аналогично. Вместо абсолютной спектральной кривой чувстви-
тельности глаза Къ следует взять спектральную характеристику приемника
2.1. Основные понятия радиометрии и фотометрии
23
Таблица 2.1
Основные энергетические и фотометрические величины
и единицы их измерения (в соответствии с системой СИ
и рекомендациями Международной комиссии по освещению)
Наименование (синонимы) Математическое выражение Основная единица измерения и связь с другими единицами
Энергетические
Поток излучения (лучистый поток, мощность излучения, radiant power, radiant flux) ф, = 0 1Вт = 107эргс 1 = = 0,239кал-с = 6,2410|8эВ-с-1
Энергия излучения (лучис- тая энергия, radiant energy) a=i<₽.(i> 1Дж = 1Вт-с = = 2,78 10 7кВтч = 107эрг = = 0,239 кал = 6,24-10,8эВ
Энергетическая сила света (сила излучения, radiant in- tensity) 1 Вт-ср 1
Энергетическая светимость (поверхностная плотность потока излучения, излу- чательность, radiant exitance, emittance) M^JdA, 1 Вт-м“2 = 100 мкВт-см"2 = = 92,9 мВт-фут-2
Энергетическая освещен- ность (облученность, плот- ность мощности, мощность дозы, радиация, irradiance, dose-rate) Et^JdA. 1 Втм-2 = 100 мкВтсм-2 = = 92,9 мВт-фут-2
Энергетическая яркость (лучистость, radiance) Cvj e9' dAf cos0 1 Втм“2ср-1
Энергетическая экспозиция (энергетическое количество освещения, количество об- лучения, доза, экспозицион- ная доза, radiant exposure, ir- radiation) 0 1 Дж-м”2= 1 Втс-см2 = = 10^ Джем-2= = 2,78-10-4 Вт-ч-м"2 = = 103эрг-см~2 = = 2,39-10"5 кал-см-2
Фотометрические (световые)
Световой поток (luminous power, luminous flux) лм
Световая энергия (luminous energy, quantity of light) ev=j0v(z)jz 0 1 лм-с = 1 тальбот
Сила света (luminous inten- sity) 1 кд
24
Глава 2. Физические основы инфракрасного излучения
Окончание табл. 2.1
Наименование (синонимы) Математическое выражение Основная единица измерения и связь с другими единицами
Светимость (luminous exi- tance, luminous emittance) Mv=d0v/dAl 1 лм-м~2
Освещенность (illuminance, illumination) E,=M>JdA, 1 лк= 1 лм-м-2= 104 фот
Яркость (luminance) J ^V0j v8' <7Д cosO 1 кд-м”2= 1 нт = Ю^сб = = 3,14 асб = 3,14-10^16 = - 0,2919 фут-Лб
Экспозиция (количество освещения, light exposure, luminous exposure) я.=Ь,(г)л 1 лкс
Примечание: Если энергетические и световые величины нельзя спутать, то индексы е (энергетический) и v (визуальный) могут быть опущены.
Ознакомившись с основными энергетическими и фотометрическими величинами,
можно перейти к рассмотрению некоторых соотношений между ними, часто исполь-
зуемых на практике.
Используя формулу (2.1) и учитывая, что телесный угол tZQi « dA2 cos 02/Z2, где I -
расстояние между источником излучения и облучаемым элементом поверхности dA2,
расположенным под углом 02 к направлению облучения, получаем выражение для
энергетической освещенности, создаваемой точечным излучателем:
E^dtD'/dA^I'CosGJl2.
Определяя отсюда значение /е и учитывая формулу (2.2), а также то, что JQi«
®d42cos 02/f, находим энергетическую яркость £ев1, создаваемую излучателем dA\ в месте
расположения dA2 по направлению от dA} к dA2: = Ее /(d£l2 cos02). Отсюда суммарная
освещенность в пределах угла О2
Ес = |ДЙ cosOjJfi,.
с I eHj 2 z
Для небольших углов ЛО2 при = Le= const в пределах ДП2
Ее = £еЛП2.
(2.3)
Одним из основных понятий, используемых в радиометрии, является черное тело,
или полный излучатель, - тепловой излучатель, имеющий при заданной температуре
максимально возможную для всех длин волн спектральную плотность энергетической
светимости. Черное тело полностью поглощает все падающие на него излучения неза-
висимо от длины волны, поляризации и направления падения. Так как все характери-
2.1. Основные понятия радиометрии и фотометрии
25
стики излучения черного тела могут быть опре-
делены, если известен всего лишь один пара-
метр - температура, оно служит эталоном, по
которому калибруются источники и приемники
излучения.
Важно отметить, что любое тело, например
газ, имеющее коэффициент поглощения мень-
ше единицы, при увеличении пути прохожде-
ния излучения в нем будет излучать как черное
тело. Черное тело является идеальным ламбер-
товым (косинусным) излучателем, у которого
Рис. 2.2. Интегральный коэффициент
излучения е некоторых металлов:
I - никель, 2 — вольфрам, 3 - платина
яркость одинакова во всех направлениях.
Любой реальный тепловой излучатель характеризуется коэффициентом излучения (ко-
эффициентом черноты) е - отношением энергетической светимости тела к энергетической
светимости черного тела при той же температуре, а также коэффициентом направленного
излучения - отношением энергетической яркости тела в некотором направлении к энерге-
тической яркости черного тела при той же температуре. Тепловой излучатель, спектраль-
ный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра не зависит от
длины волны, называется неселективным. Неселективный излучатель, спектральный ко-
эффициент излучения которого меньше единицы, называется серым. Излучатель, спек-
тральный коэффициент излучения которого в рассматриваемой области спектра зависит от
длины волны, называется селективным. Примером является вольфрамовая нить лампы на-
каливания. Селективным характером излучения обладают и вещества, которым свойствен-
ны селективные отражательная способность и прозрачность. Степень селективности можно
определить, если известны оптические характеристики вещества.
излучения е некоторых диэлектриков:
1 - каучук, 2 - фарфор, 3 - пробка, Лю 24- Интегральный коэффициент излучения е
д_бумага, 5_огнеупорная глина некоторых материалов. 1 черная оксидная пленка,
2 - сильно окисленная медь, 3 - слегка окисленная
медь, 4 - полированная медь
26
Глава 2. Физические основы инфракрасного излучения
X, мкм
Рис. 2.5. Спектральный коэффициент излучения
некоторых металлов и графита:
1 - графит, 2 - медь, 3 - железо, 4 - алюминий,
5 - серебро
Рис. 2.6. Спектральный коэффициент
излучения некоторых диэлектриков: 1 - земля
(песок + глина + сланец), 2 - пластмасса,
3 - окись магния, 4 - вода (в направлении
нормали к поверхности)
X, мкм
Рис. 2.7. Спектральный коэффициент
излучения человеческой кожи
Коэффициент поглощения, или поглощательная способность, — отношение погло-
щаемой телом мощности излучения к потоку излучения, падающему на тело. Важно
отметить, что у большинства диэлектриков поглощательная способность растет с уве-
личением длины волны падающего излучения X. Это накладывает ограничения на вы-
бор материалов оптических систем для работы в длинноволновой области спектра. По-
глощательная способность а зависит также от угла падения лучей на вещество, однако
это изменение практически не столь сильно сказывается, как зависимость а от X. Для
металлов справедливо соотношение ах «1 / ^оэХ, где сэ - электрическая проводимость;
X - длина волны падающего излучения.
В литературе (см., например, [17, 51]) при-
водятся значения коэффициентов излучения
различных материалов. На рис. 22-2.7 даны
примеры зависимостей интегральных е и спек-
тральных ех. = е(Х) коэффициентов излучения
ряда веществ от температуры и длины волны,
заимствованные из [17].
Зависимости интегральных коэффициентов
излучения ряда излучателей от угла наблюде-
ния <р приведены на рис. 2.8 и 2.9. Нагретые
тела как источники излучения отличаются от
идеально черного тела, так как их коэффициен-
ты излучения не равны единице на всех длинах
волн. Следовательно, реальный излучатель дает меньше энергии, чем черное тело при
той же температуре. Для расчетов энергии испускаемой серыми и селективными излу-
чателями, удобно воспользоваться понятием об эквивалентных им полных излучателях,
поскольку все параметры излучения последних можно определить по известной темпе-
2.1. Основные понятия радиометрии и фотометрии
27
ратуре. В качестве признаков эквивалентно-
сти могут служить яркость, цвет (цвет-
ность) или энергетическая светимость, в
соответствии с которыми введены понятия
о яркостных, цветовых и радиационных
температурах.
Яркостная температура - температура
черного тела, при которой на какой-либо
длине волны оно имеет ту же спектральную
плотность энергетической яркости, что и
рассматриваемое тело. Очевидно, что ярко-
стная температура тела всегда меньше ре-
альной.
Температура распределения - температу-
ра эквивалентного черного тела, при которой
излучение данного тела в видимой части
спектра практически идентично излучению
черного тела, т.е. ординаты их спектрального
Рис. 2.8. Зависимость коэффициента излучения
воды X = 10 мкм от угла наблюдения ср
распределения яркости пропорциональны.
Температура черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и
рассматриваемое излучение, называется цветовой. Цветовая температура может быть
больше или меньше фактической температуры тела и меняться с изменением последней.
Следует отметить, что некоторые се-
лективные излучатели на отдельных
участках спектра можно рассматривать
как серые или даже черные тела, т.е. к ним
этот термин вполне применим. На этих же
участках представляется возможным ис-
пользовать такие излучатели для модели-
рования черного тела.
Чтобы сравнить интегральные вели-
чины излучения черного тела и селектив-
ного излучателя, введено понятие радиа-
ционной температуры — температуры
черного тела, имеющего такую же сум-
марную (по всему спектру) энергетиче-
скую светимость, что и данный селектив-
ный излучатель.
Рис. 2.9. Зависимость коэффициента излучения £
от угла наблюдения ср:
1 - черное тело, 2 - серое тело (условное),
3-5 - диэлектрики с показателями преломления
л = 1,5; 2,0 и 4,0 соответственно, 6 - металл
28 Г лава 2. Физические основы инфракрасного излучения
2.2. ЗАКОНЫ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Рассмотрим кратко основные законы излучения, которые необходимо знать при
расчете ИКС.
Закон Кирхгофа. В точке поверхности теплового излучателя при любой темпера-
туре и любой длине волны спектральный коэффициент направленного излучения для
заданного направления равен спектральному коэффициенту поглощения для противо-
положно направленного неполяризованного излучения. Иначе говоря, чем больше энер-
гии поглощает тело, тем больше оно ее излучает:
A^eXl^Xl А/еХ2^Х2 • А/ехчт,
где А/еХчт — спектральная плотность энергетической светимости черного тела; - спек-
тральный коэффициент поглощения.
В соответствии с законом сохранения энергии для любого тела ах + Рх + тх = 1, где рх
и тх - коэффициенты отражения и пропускания соответственно. Поэтому а^= 1 - рх для
непрозрачных тел с тх = 0, т.е. по закону Кирхгофа тела с хорошей отражательной спо-
собностью являются плохими излучателями.
Если в среде с постоянной по всей ее толще температурой распространяется излуче-
ние с постоянной плотностью Меь то и на выходе такой среды сохраняется то же зна-
чение плотности. Если же в среде имеет место градиент температур, пропорциональ-
ный распределению Мех, то плотность светимости на выходе слоя толщиной Дх равна
Мех = (А А/ех /Дх)/«х + Мех, где ДМех/Дх - градиент Меу, Щ. - коэффициент поглощения
среды; Л/ехо - плотность излучения на входе в среду.
Закон Стефана-Больцмана. Энергетическая светимость черного тела пропор-
циональна четвертой степени абсолютной температуры:
Ме = <зТ\ (2.4)
где с = 5,66971-1 (Г8 Вт-м 2-К 4 - постоянная Стефана-Больцмана.
Для любого излучателя Ме^ = 8хтЛ/еХят, где ехт - спектральный коэффициент излуче-
ния данного тела. Для серого тела ехт -f (Т) = ет Мест = етсГ4.
Закон Планка. Он описывает распределение энергии по спектру длин волн:
Мех = Ме(А, Т) = CjV5[exp(C2/X7) -1](2.5)
где С] = 3,7415-10“16 Вт-м2; С2 = 1,43879-10 2 м-К. При кТ < 3000 мкм-К для практиче-
ских расчетов формулу (2.5) можно представить в виде
Мех = С1Г5ехр(-С2/Х7). (2.6)
Закон Планка позволяет рассчитать энергетическую светимость черного тела Мдх, а
следовательно, и поток его излучения, приходящийся на заданный или выбранный
2.2. Законы теплового излучения
29
спектральный диапазон ДА. = А,2 - Аь Для этого можно проинтегрировать выражение
(2.5) в пределах Xi...X2 (см., например, табл. 2.2).
Иногда удобно вместо такого интегрирования разбить диапазон ДА. на п участков и
воспользоваться приближенной формулой
>4 “ 7^т‘ Ё~т((А.)’ + 3(Л,)2 + 6А, +
1 и
2
где А,„ - значение длины волны в середине каждого участка.
Из формулы для закона Планка можно получить выражение для закона Стефана-
Больцмана. Действительно, если проинтегрировать (2.5) в пределах О...оо, то получим
(2.4), т.е.
00
м, = ]Х<а = аГ.
о
Закон Голицына-Вина. Если задаться целью определить длину волны излучения,
соответствующую максимуму кривой Мс)_ =f(ty, т.е. найти экстремум функции МсК, то
получим
Ъ™ = 2898/Г
(2.7)
Здесь Хтах измеряется в микрометрах, а Т-в кельвинах. На практике часто это выраже-
ние, называемое законом Голицына-Вина, используют в следующем виде:
7Чпах = 3000/7’.
Закон Голицына-Вина указывает, что с увеличением температуры излучателя мак-
симум излучения сдвигается влево по спектру длин волн А», поэтому он называется так-
же законом смещения.
Таблица 2.2
Поверхностная плотность излучения черного тела в спектральной полосе А,]...А.2
мкм мкм Поверхностная плотность излучения черного тела, Вт-см 2 при его температуре, К
280 290 300 310 750
3,0 5,0 2,76-10^ 4,1110" 5,97-10 4 8,48-104 5,84-Ю4
3,5 5,5 2,68-10^ 3,97-10" 5,75-10"4 8,13-10 4 4,42-101
4,0 5,0 2,38-10" 3,49-104 5,01 Ю"4 7,02-10 4 2,89-104
8,0 10,0 4,20-10-3 5,1210’3 6,15-10’3 7,32-103 1,74-10‘
8,0 12,0 8,59-10~3 1,03-10~2 1,22-10“2 1,43 102 2,74-1О"1
8,0 14,0 1,26102 1,48-10’2 1,74-Ю’2 2,01-10”2 3,34-10'1
10,0 14,0 8,35-10“3 9,72-10'3 1,12-Ю"2 1,28-Ю"2 1,6040г1
30
Глава 2. Физические основы инфракрасного излучения
Интегрируя выражение для М& в пределах О...!^, получаем
4 = /л/Л<а=1аГ‘>
о
т.е. в коротковолновой части своего спектра черное тело излучает одну четверть всей
энергии, а ее основная доля приходится на более длинные волны.
Для некоторых практических применений важно учитывать, что 50% полного излу-
чения (площади кривой Планка) содержится в диапазоне 0.. Аш, где Л.1/2 = 4110/7'.
Чувствительность приемников излучения в большей степени зависит от скорости
прихода квантов излучения, чем от энергии излучения. Поэтому можно привести вы-
ражение для числа квантов излучения (фотонов), испускаемых тепловым излучателем в
единицу времени и приходящихся на единичный спектральный интервал внутри полу-
сферического телесного угла. Это выражение легко получается из (2.5) делением его на
величину, определяющую энергию одного фотона Eq = hc^k = 1,9863-10~19А (Вт-с):
N* = IncjC4 {ехр[Лс0 /(fcXT)]-1} '. (2.8)
Поскольку мгновенная скорость излучения фотонов обусловлена многими случай-
ными процессами, целесообразно оценить их влияние, приводящее к флуктуациям чис-
ла Nqx, через спектр шума ср9, который является зависимостью среднего квадратическо-
го отклонения мощности от частоты или числа фотонов от их средних значений. Рас-
сматривая мощность излучения Фе как флуктуирующую величину, можно получить:
<pg = SAkaT5,
(2.9)
где А - площадь излучателя; к = 1,3806-10 23 Дж-К о = 5,6697-10 8 Вт-м 2-К-4.
Для спектра шума, описывающего флуктуации числа фотонов Nq\,
Ф^=4,17-10пЛГ3. (2.10)
Рис. 2.10. Кривые Планка: Д > Т2> Т3
NgX,
фотоне *-м 2-мкм 1
Рис. 2.11. Кривые Планка (в фотонной форме) для
черного тела с разной температурой
2.2. Законы теплового излучения
31
Для источников в виде серых тел правые части (2.9) и (2.10) следует умножить на коэф-
фициент излучения.
Формулу Планка можно представить графически в виде так называемых кривых Планка
(рис. 2.10). Рассматривая их для каких-либо температур, можно заметить, что чем больше
температура, тем выше расположена кривая, т.е. на любом участке спектра полный излуча-
тель с более высокой температурой дает большую энергию излучения, чем полный излу-
чатель с меньшей температурой.
В виде кривых Планка можно показать и зависимость плотностей излучения в фотон-
ной форме от длины волны (рис. 2.11).
Для упрощения расчетов, связанных с использованием кривых Планка, удобно рас-
сматривать единую изотермическую кривую, получаемую заменой в формуле Планка
переменных X и МеХ новыми переменными:
^ = X/Xmax; y = MejMe)^.
При этом формула Планка принимает следующий вид:
у = 142,32л’5 [ехр(4,9651 / х) -1] ’*.
Чтобы от единой изотермической кривой (рис. 2.12) вернуться к кривой Планка
для данной температуры Т в кельвинах, необходимо определить: 1) Х^ = 2898/Г, мкм;
2) М =1,2864-1 о-15Г5 Втсм~2мкм-1; 3) х = Х/Х1гах для выбранных значений X; 4) у по
единой изотермической кривой или из специальных таблиц (см., например, [51]);
5) м =М у > соответствующее каждому значению X.
Если из всей энергии, испускаемой тепловым излучателем и определяемой величи-
ной Ме, используется лишь ее доля, излучаемая на некоторой рабочей длине волны, то
для практических целей важно знать температуру, при которой наиболее эффективно
используется мощность излучателя. Определяя эффективность излучения через отно-
шение функции Планка Ме(Х, Т) к суммарной энергетической светимости Ме
М,(7.,Г) С,У[ехр(СгА7-)-1Г‘
М, аТ'
и находя экстремум этого отношения, получаем,
ХэфТ’эф = 3625,
т.е. для данной длины волны Хэф существует определенная температура Гэф, обеспечи-
вающая наибольшее отношение Л/е(Хэф, Т^/Ме. Важно отметить, что значение Хэф не
совпадает со значением Хтах, рассчитываемым по (2.7).
На практике часто необходимо определить небольшую разность температур двух чер-
ных тел или близких к ним излучателей. Изменению температуры Т соответствует измене-
ние Л/el- Дифференцируя формулу (2.5), можно получить значение dMeJdTпри ХГ« С2:
32 Глава 2. Физические основы инфракрасного излучения
амл мАс2
ат ттг '
а отсюда, перейдя к конечным приращениям, найти искомую величину
КГ2
АТ =-----Дм
МАС2
где Л/ех определяется из (2.5) или (2.6).
Полезно отметить, что для длин волн, много больших Хпих, спектральная плотность из-
лучения Ме\ увеличивается пропорционально Г, а в области Атах - пропорционально Т5.
Для оценки работоспособности многих ИКС необходимо знать выражение для кон-
траста объекта, наблюдаемого на фоне. В случае объекта и фона — черных тел с темпе-
ратурами 70б и 7ф контраст в спектральном диапазоне ДА может определяться по сле-
дующей формуле:
рмЛ(г.,)/<а]<й- Д<а/Л(7ф)/<а]<а
Л),_____________________________
Д<«иЛ(гф)/<а]<а'
Д1 £й.
Расчет значений для диапазонов 3...5 и 8...14 мкм показывает, что в области
температур фона 7ф = 240...320 К при небольших перепадах ДТ= 70б - Тф контрасты в
диапазоне 3...5 мкм больше контрастов в диапазоне 8... 14 мкм.
Если эффективность работы ИКС определять по значению контраста между наблю-
даемым объектом и фоном, на котором он находится (объект и фон принимаются за
черные тела с близкими температурами), то важно знать длину Ас, при которой ско-
рость изменения функции Планка при изменениях температуры максимальна. Для ее
определения нужно найти максимум зависимости dM&/dT, который на основании зако-
на Планка имеет место при Ас7= 2411, т.е. Хс = 2411/7’(рис. 2.13). В большинстве прак-
тических задач при этом следует учитывать также пропускание среды и спектральные
коэффициенты излучения объекта и фона.
Рис, 2.12. Единая изотермическая кривая
Рис. 2.13. Производные функции Планка
2.2. Законы теплового излучения
33
Необходимо помнить, что контраст между объектом и фоном часто зависит не только от
их излучательных свойств, обусловленных плотностями М&. и коэффициентами излучения
Ех, но и от коэффициентов отражения объекта и фона, если сигналы, приходящие на вход
ИКС, представляют собой совокупности собственного и отраженного излучения.
При изменении температуры или переходе от светлого времени суток к темному
вклады собственной и отраженной составляющей излучения могут изменяться, а отсю-
да может изменяться и знак контраста. Важно учитывать, что для типовых значений
240...300 К температурный контраст в длинноволновом ИК-диапазоне составляет доли
процента. Это, в частности, требует весьма высокой однородности чувствительности
отдельных элементов приемника излучения ИКС при наблюдении или обнаружении
объектов с температурами, близкими к температурам окружающих их фонов, так как
такие элементы должны чувствовать малые перепады температур по площади объекта
или между объектом и фоном. Допуск на неоднородность чувствительности (в относи-
тельных единицах) должен быть заметно меньшим, т.е. порой составлять сотые доли
процента.
2 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
Глава 3
УЧЕТ ВЛИЯНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ПАРАМЕТРЫ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ
СИГНАЛОВ, ПОСТУПАЮЩИХ НА ВХОД
ИНФРАКРАСНОЙ СИСТЕМЫ
3.1. ОСЛАБЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
В АТМОСФЕРЕ
Общее ослабление излучения в атмосфере обусловлено двумя основными процессами:
- поглощением газовыми компонентами, в результате которого происходит преоб-
разование энергии излучения в другие ее виды;
- молекулярным и аэрозольным ослаблением, или рассеянием энергии излучения.
Поглощение вызвано наличием в атмосфере ряда веществ (воды, углекислого газа,
озона и др.), спектральные полосы поглощения которых расположены в оптической
области. Рассеяние энергии излучения на частицах, из которых состоит среда, вызывает
отклонение потока от первоначального направления и может сопровождаться поглоще-
нием энергии веществом этих частиц.
При работе в ИК-диапазоне часто следует учитывать собственное излучение атмо-
сферы, т.е. излучение составляющих атмосферу газов и частиц, описываемое законом
Кирхгофа и наряду с рассеянным излучением снижающее попавший в угловое поле
ИКС контраст изображения наблюдаемого источника. При этом возможно также воз-
никновение новых помех.
Часто необходимо учитывать случайные изменения оптических свойств атмосферы.
К ним, в первую очередь, относятся флуктуации фазы световой волны вследствие
флуктуаций показателя преломления атмосферы. Их влияние проявляется в мерцании
(случайном изменении яркости наблюдаемого источника), дрожании (случайном изме-
нении пространственного положения изображения наблюдаемого источника) и размы-
тии изображения. Кроме того, возможны и другие явления, связанные с неоднородно-
стью атмосферы, например рефракция, изменения плотности потока по сечению пучка.
Иногда при большой мощности и короткой длительности оптического сигнала возни-
кают нелинейные эффекты.
3.1. Ослабление оптических сигналов в атмосфере
35
Для излучения с длиной волны А, общее ослабление в оптически однородной среде с
учетом ряда допущений [24] описывается экспоненциальным законом Бугера (Бира,
Ламберта):
~ Л>1 ехр(— ^хО- AjX^clX ~ Л)Х^сХ »
где Z/x - сила излучения, прошедшего путь /; /Ох - сила излучения в начале трассы; ах -
показатель ослабления; тси. = ехр (-ах) - коэффициент прозрачности среды, или прозрач-
ность, для I - 1 км; тсх = т'п — коэффициент пропускания среды на трассе длиной I км.
Величину 7\ = называют оптической толщей среды. В более общем случае - при
изменяющемся по трассе показателе ослабления
i
К = f<4(^
о
Для наклонных трасс распространения излучения при зенитных углах 0 < 80°, когда
атмосферу можно считать плоскопараллельной,
4 хе = Т/о sec0 ,
где 7ю - оптическая толща вертикального столба атмосферы.
С учетом двух основных факторов ослабления - поглощения и рассеяния - выраже-
ние для тсх можно представить как
тсх = т(А) = тп(А.)та(А.), (3.1)
где тп(А) = ехр[-Ап (А,)/]; та(А,) = ехр[-аа(А,)/]; АП(А.) - спектральный монохроматический
коэффициент поглощения; аа(А,) - спектральный монохроматический коэффициент аэ-
розольного ослабления (показатель рассеяния).
Таким образом, для определения общего пропускания атмосферы достаточно найти
значения коэффициентов Лп и аа при рассматриваемых метеоусловиях.
Иногда для оценки ослабления излучения пользуются понятием затухания, которое
определяется в децибелах на километр:
ух = Ю ах 1g е = 4,34 ах.
В [24,25, 51, 151 и др.] приводятся таблицы распределения основных поглощающих
и рассеивающих компонентов атмосферы, а также температуры и давления в зависимо-
сти от высоты над уровнем моря для различных климатических поясов (тропики, сред-
ние широты летом, высокие широты зимой и т.д.), образующие модель атмосферы, ис-
пользуемую для расчета ее оптических свойств.
36
Глава 3. Влияние атмосферы на параметры и характеристики входных сигналов ИКС
3.1.1. ПОГЛОЩЕНИЕ
К наиболее мощным поглощающим компонентам атмосферы относятся пары воды,
углекислый газ и озон. Влияние последнего особенно заметно на высотах 22...27 км
над уровнем моря.
В своей совокупности отдельные полосы поглощения излучения компонентами ат-
мосферы образуют так называемую картину спектрального пропускания атмосферы,
вид которой зависит от концентрации поглощающих веществ, изменяющихся с высо-
той трассы, а часто и по длине трассы, и других факторов. Можно отметить существо-
вание отдельных участков спектра (окна прозрачности атмосферы), внутри которых
поглощение в чистой атмосфере очень слабо. В ИК-диапазоне такими окнами являют-
ся: 0,95...1,05; 1,2...1,3; 1,5...1,8; 2,1...2,4; 3,3...4,2; 4,5...5,0; 8...13 мкм (рис. 3.1).
Внутри этих окон имеются узкие линии поглощения (см. [24, 25, 51 и др.]), которые
нужно учитывать при работе с монохроматическими источниками - лазерами. Иногда
границы окон объединяют, например, пренебрегая узкими полосами поглощения на
3,2; 4,3; 4,8; 9,4; 10,4 мкм и др., говорят об окнах 3...5 или 8... 13 мкм.
Рис. 3.1. Пример картины пропускания
атмосферы для приземной трассы длиной 1 км
Рис. 3.2. Связь между абсолютной влажностью,
толщиной слоя осажденной воды для трассы в 1 км
и температурой атмосферы на трассе
Пользуясь данными о концентрации поглощающих компонент на трассе распро-
странения излучения, можно с помощью специальных таблиц [51, 151 и др.] найти зна-
чения АП(Х) и тп(Х). Для приближенных расчетов часто можно использовать упрощен-
ные методы, например метод, основанный на определении толщины осажденного слоя
воды, которая представляет собой толщину слоя сконденсированных до жидкого со-
стояния паров воды, содержащихся в оптической трубке с поперечным сечением, рав-
ным сечению распространяющегося пучка, и длиной, равной длине трассы распростра-
нения.
Между толщиной vv0 слоя осажденной воды, приходящейся на 1 км трассы, темпера-
турой атмосферы /°C и ее абсолютной влажностью ан существует определенная связь
3.1. Ослабление оптических сигналов в атмосфере 37
(рис. 3.2). Зная относительную влажность ата и температуру Т в кельвинах, можно оп-
ределить значение ак (в гм’3) как
аотн /25,22(7-273,16) 7
а = ехр<^ —-—J—- - 5,31 In----.
7 [ 7 273,16
Толщину всего слоя осажденной воды w = w01 на трассе длиной I можно ввести в
показатель экспоненты в формуле для тп(7) и вычислить значение последнего. Полный
коэффициент пропускания в атмосферных окнах, где отсутствует поглощение газовы-
ми компонентами, можно определить, зная величину w (см., например, рис. 3.3).
Для расчета коэффициента пропускания тп(Х), обусловленного поглощением, до-
вольно распространен метод учета отдельных составляющих поглощения с последую-
щим их объединением и несколько более приближенный, но и более простой метод,
использующий модели земной атмосферы, среди которых наиболее известны модели
LOWTRAN, MODTRAN, HITRAN, FASCODE, разработанные в США [151, 178, 196], а
также модель, разработанная Государственным институтом прикладной оптики
(ГИПО) [25]. Модель LOWTRAN, имеющая обширную базу экспериментально полу-
ченных данных, достаточно проста, но обладает сравнительно небольшим спектраль-
ным разрешением (порядка 20 см-1), что не позволяет учитывать тонкие линии погло-
щения, способные влиять на распространение узкополосного лазерного излучения. Мо-
дель FASCODE обладает высоким спектральным разрешением, т.е. учитывает тонкие
молекулярные линии поглощения. В этом смысле модель MODTRAN является проме-
жуточной. Последние варианты перечисленных моделей позволяют рассчитать не
только коэффициенты поглощения, но и коэффициенты рассеяния излучения в атмо-
сфере, а также яркость собственного свечения атмосферы - яркость среды (путевую
яркость) [178]. Известны и другие модели, например EOSAEL (США), с помощью которой
можно рассчитать пропускание при
наличии в атмосфере пыли, песка,
дыма и ряда других рассеивающих
компонент.
Модель ГИПО представляет ко-
эффициент тп в виде функции дли-
ны волны X, протяженности трассы
/, температуры 7, давления Р и со-
держания поглощающего вещества
w на трассе [1,25]:
тп(Х) = exp(-pxwmi/^),
где Рх, /их и их - эмпирические ко-
эффициенты, полученные в ре-
зультате математической обработ-
Рис. 3.3. Зависимость коэффициента пропускания
атмосферы для горизонтальных трасс на уровне моря от
толщины слоя осажденной воды для трех окон
прозрачности
38
Глава 3. Влияние атмосферы на параметры и характеристики входных сигналов ИКС
ки результатов многочисленных экспериментов; - эффективное давление, опреде-
ляемое суммой парциального давления поглощающего газа и давления азота в атмо-
сфере. Для многих практических случаев Р^ можно принять равным давлению атмо-
сферы, а значения m-f и - постоянными в пределах отдельных полос поглощения. В
литературе (например, [25]) приводятся графические зависимости тп(Х) для диапазона
дальностей I = 4.. .5400 м и диапазона длин волн 0,6.. .25 мкм.
Подводя итог сказанному, можно еще раз отметить, что поглощение излучения име-
ет ярко выраженный селективный характер и проявляется в виде полос поглощения или
их совокупности, разделенных окнами пропускания с незначительным поглощением.
Внутри окон пропускания атмосферы основное ослабление излучения происходит в
результате рассеяния.
3.1.2. РАССЕЯНИЕ
Поскольку аэрозольное рассеяние на частицах учитывает и поглощение излучения
веществом, из которого эта частица состоит, правильнее говорить об аэрозольном ос-
лаблении. Рассеяние на частицах характеризуется коэффициентом рассеяния ор - от-
ношением рассеянного частицей излучения к излучению, падающему на частицу. По-
глощение энергии частицей характеризуется коэффициентом поглощения оп - отноше-
нием поглощенной частицей энергии к падающей на нее энергии.
Сумму Gp и оп называют коэффициентом аэрозольного ослабления оа:
аа(А.) = Ор(Х) + оп(^)-
Иногда эти коэффициенты приводят к геометрическому сечению частицы, считая ее
сферической с радиусом ас.
Наряду с аэрозольным ослаблением в атмосфере имеет место и молекулярное (рэлеев-
ское) рассеяние, спектральный коэффициент ослабления которого определяется как
срэл(Х) = 0,83МЛ3А.'4,
где NM - число молекул в 1 см3; А - площадь поперечного сечения молекулы, см2; X-
длина волны излучения, см.
Некоторые значения орэл(?.) приведены в табл. 3.1. Очевидно, что в ИК-диапазоне
спектра можно практически пренебречь молекулярным рассеянием, так как оно прак-
тически не влияет на пропускание излучения. При работе в видимой и особенно в УФ-
области оптического спектра его необходимо учитывать.
Теоретически рассчитанные и экспериментально полученные для среды, состоящей
из сферических водяных частиц, зависимости показателей (коэффициентов) рассеяния
аа от длины волны излучения А, при различных состояниях атмосферы, характеризуе-
мых метеорологической дальностью видимости, изменяющейся от 5,2 до 34 км [179],
показаны на рис. 3.4.
3.1. Ослабление оптических сигналов в атмосфере
39
Таблица 3.1
Коэффициенты молекулярного рассеяния для I = 10 км
X, мкм ^рэл(^), см-1 т, %
0,35 79,3-1 О’8 45
0,55 12,3-10"8 89
0,76 3,30-10"8 97
1,00 1,094 (Г8 99
1,20 5,25-10"9 —
3,00 1,33 1О“10 —
5,00 1,73-Ю"11 —
В обычной форме закон Бугера для рассеивающих сред применим в тех случаях, когда:
- эффекты многократного рассеяния пренебрежимо малы;
- число частиц в рассеивающем объеме велико - гораздо больше единицы;
- каждая частица рассеивает излучение независимо от присутствия других.
Для крупнокапельных туманов (ас= 1...30 мкм) коэффициент ослабления сохраня-
ется приблизительно постоянным для излучения с длинами волн от 0,35 до 3,70 мкм.
Для средних туманов (ас - 0,1... 1,0 мкм) постоянство аа наблюдается только в видимой
области оптического спектра, а для мелкокапельных туманов оа заметно изменяется во
всем оптическом диапазоне. Для дождевых капель (ас = 0,1... 1,0 мм и более) в диапазо-
не длин волн свыше 1 мкм оа » 2 и практически не зависит от длины волны.
Таким образом, для дымки и тумана рассеяние уменьшается с ростом длины волны
излучения. Однако для сильных туманов и снега переход от видимого излучения к ИК
не дает ощутимой выгоды.
Рис. 3.4. Теоретические (а) и экспериментальные (6) зависимости показателя рассеяния от
состояния атмосферы: 1 - рэлеевское рассеяние, 2 - чистый воздух, 3 - легкая дымка, 4 - дымка,
5 - легкий туман
40
Глава 3. Влияние атмосферы на параметры и характеристики входных сигналов ИКС
Модель LOWTRAN предлагает эмпирическую формулу для учета рассеяния излу-
чения на дождевых каплях
0М«О,365<’63,
где Од - скорость выпадения осадков, мм-ч1 (табл. 3.2). В случае дождя общий коэффи-
циент ослабления определяется только рассеянием на каплях и не зависит от длины
волны излучения, т.е. тс = ехр (-оад7).
Таблица 3.2
Скорость выпадения осадков для разных погодных условий
Погодные условия Скорость выпадения осадков, мм-ч-1
Легкий туман, дымка Изморось Слабый дождь Умеренный дождь Сильный дождь Сплошной сильный дождь Ливень 0,025 0,25 1,0 4,0 16 40 100
Помимо дымки, тумана, дождя и снега на работу ИКС могут заметно влиять и дру-
гие аэрозоли, например пыледымовые образования. Некоторые данные об их учете при
оценке рассеяния содержатся в [37, 151]. Примеры зависимостей коэффициентов ос-
лабления излучения ух, вызванного влиянием рассеяния в ряде мутных (рассеивающих)
сред на излучение с длиной волны Л, = 10,6 мкм, приведены на рис. 3.5 [151]. Аргумен-
тами функций ух (дБ/км) являются метеорологическая дальность видимости sM (км),
интенсивность дождя va (мм/ч), интенсивность снегопада vc (мм/ч).
Данные о количественных характеристиках ослабления излучения атмосферными
аэрозолями, приводимые в литературе, относятся большей частью к видимой области
оптического спектра, что вызвано прежде всего трудностью измерения аэрозольных
коэффициентов ослабления в ИК-диапазоне. Зависимость средних значений этих коэф-
фициентов от высоты с точностью до 20% аппроксимируется выражением
аа(Х,Я) = аа(Л.,0)ехр(РаЯ),
где ра - эмпирический коэффициент, выбираемый для различных метеорологических
дальностей видимости sM таким образом, что на высоте Н = 5 км коэффициент аа(?.,Я)
оказывается постоянным (540 3 км 1 для А, = 0,5 мкм), на высотах 3...5 км уменьшается
по сравнению со значением аа, измеренным у поверхности Земли, на один-два порядка.
Нужно отметить, что количественные характеристики аэрозольного и молекулярно-
го рассеяния при горизонтальном распространении излучения отличаются от характе-
ристик ослабления и рассеяния, наблюдаемых при распространении излучения по
3.1. Ослабление оптических сигналов в атмосфере
41
у, дБ/км
у, дБ/км
$м,КМ
У, дБ/к
у, дБ/км
д') км
у, дБ/км
«)
Рис. 3.5. Зависимости коэффициентов ослабления
излучения с 1 = 10,6 мкм от метеорологических
параметров для чистого воздуха (а), тумана (б),
дождь (в), снегопада (г), пыли (Э): -
среднее значение;---------верхний предел;
-------нижний предел,.......... -1 = 55 мкм
42 Глава 3. Влияние атмосферы на параметры и характеристики входных сигналов ИКС
наклонным трассам. Достаточно строгих аналитических методов расчета для этого слу-
чая пока не существует, поэтому необходимо использовать результаты эксперименталь-
ных исследований (которых, к сожалению, проведено весьма мало) или приближенные
способы учета наклонного хода излучения [24, 25, 151].
При определении затухания излучения в рассеивающей среде обязательно учитыва-
ются некоторые параметры излучателя и приемной оптической системы, влияющие на
попадание в приемную систему не только ослабленного по закону Бугера прямого из-
лучения, но и части рассеянного.
Для однократного рассеяния излучения от точечного источника в однородной и изо-
тропной среде коэффициент та можно рассчитывать по формуле [24]
та = ехр(-7а)(1 + ТаОр),
где Тл = аа - I - оптическая толща рассеивающей среды; Dp - величина, зависящая от
угловых апертур приемника и излучателя, а также от индикатрисы рассеяния частиц
среды, но не от расстояния между излучателем и приемником. Очевидно, что при рас-
пространении излучения через среду с Тг в несколько единиц регистрируемый сигнал
будет в несколько раз отличаться от сигнала, рассчитанного по закону Бугера. В таких I
случаях расчет следует вести по последней формуле, особенно для крупных частиц, i
когда Dp может достигать 0,5...0,7. При этом для Та, равных нескольким единицам, |
вклад рассеянного излучения в общий сигнал может превышать вклад прямого ослаб-
ленного потока в несколько раз. Формула однократного рассеяния в случае точечного )
источника справедлива при Тл< 10. При узких или коллимированных пучках границы \
применимости закона Бугера расширяются, но становится более заметным эффект мно- j
гократного рассеяния.
Помимо рассмотренных параметров среды, определяющих рассеяние, на практике
используются и другие критерии, например метеорологическая дальность видимости
sM - расстояние, на котором контраст между источником определенного типа (мирой) и
окружающим его фоном снижается до порога контрастной чувствительности глаза, ха-
рактеризует метеорологическое состояние среды (ее мутность):
_ _ ln(V£J
•’м — ’
где аа - показатель рассеяния; ек - порог контрастной чувствительности приемника.
Обычно для человеческого глаза принимают ек = 0,02. При этом для Л = 0,55 мкм
Sm 3,9 l/da 0,55-
Международный код видимости и соответствующие sM значения аа приведены в
табл. 3.3.
Если подставить аа из последнего выражения в формулу для коэффициента про-
зрачности, то получим
Та 0.55 = ехр(-аао,550 = exp(-3,91Z / sM).
(3-2)
3.1. Ослабление оптических сигналов в атмосфере
43
Иногда для расчета аа в условиях, когда > 2 км и X < 3 мкм, пользуются формулой
aflI=(3,91/sJ(A/0,55F‘,
(33)
где ns = 0,585 s™ для плохих погодных условий (лм < 6 км), п3 = 1,3 для средних метео-
условий и ns = 1,6 для хороших.
Таблица 3.3
Международный код видимости,
метеорологическая дальность видимости sM и показатель рассеяния аа0,55
Кодовый номер Погодные условия Зы, М «а 0,55, КМ 1
0 Плотный туман <50 >78,2
1 Густой туман 50...200 78,2... 19,6
2 Обычный туман 200...500 19,6...7,82
3 Легкий туман 500... 1000 7,82...3,91
4 Слабый туман 1000...2000 3,91... 1,96
5 Дымка 2000...4000 1,96...0,954
6 Легкая дымка 10 000 0,391
7 Ясно 20 000 0,196
8 Очень ясно 50 000 0,078
9 Совершенно ясно >50 000 <0,078
С вводом критерия sM условие применимости формул однократного рассеяния
ТЛ < 10 выглядит как I < 2,5sM, т.е. при sM = 10 км (дымка) эти формулы справедливы для
трасс длиной не более 25 км, а при sM = 200 м (туман) - для / < 500 м.
Для оценки рассеяния ультрафиолетового излучения в диапазоне 0,24...0,4 мкм при
5М = 4...40 км можно воспользоваться эмпирической формулой
0,538-X Г 0,08 '
0,028\А,-0,18>
где ух = 4,34cta - коэффициент затухания, км-1; X - длина волны излучения, мкм; - ме-
теорологическая дальность видимости, км.
Соотношения вида (3.2) и (3.3) позволяют рассчитать коэффициент прозрачности тал
для любой X в пределах любого атмосферного окна. При этом поглощение вычисляют
отдельно, независимо от рассеяния.
Общее ослабление излучения, т.е. коэффициент тс, после нахождения тп и та опреде-
ляют по формуле (3.1).
На практике часто удобно пользоваться понятием «эффективный коэффициент
пропускания среды (атмосферы) тСЭф в пределах рабочего спектрального диапазона
Х1...Х2», который определяется как
44 Глава 3. Влияние атмосферы на параметры и характеристики входных сигналов ИКС
|ДХ)т.ОТт<,(Х)»г(Х)<й
т =^1--------------------
сэф Х2 >
Jl(X)T0(X)s.(X)A
м
где £(Х) - спектральная плотность яркости источника излучения; тс(2.) - спектральный
коэффициент пропускания среды (атмосферы); т0(А) - спектральный коэффициент про-
пускания оптической системы ИКС; \.(Х) - спектральная характеристика вольтовой
чувствительности приемника излучения.
Если для визуализации ИК-изображения используется контраст яркостей объекта
£Об и фона £ф, на котором этот объект наблюдается, т.е. их разность, то в подынте-
гральное выражение для тс Эф вместо произведения £(Х)тс(Х) следует вводить разность
^об(^)тс об(^) - £ф(\)тс ф(Х). Очевидно, при этом учитываются возможные различия в
тс об(^-) для объекта и тс Ф(Х) для фона, связанные, например, с разными расстояниями от
ИКС до этих излучателей. Вместо вольтовой чувствительности ^(Х,) в формуле для тсэф
можно использовать спектральную удельную обнаружительную способность приемника
D’(X).
Понятие тс Эф облегчает ряд расчетов и экспериментальных оценок параметров ИКС.
Например, при определении эквивалентной шуму разности температур Л7П (см. гл. 4)
можно пользоваться достаточно простой формулой
Д71« Д7т ./п,
п сэф/ ~ 5
где ДТ - измеряемая разность температур объекта и фона, создающая отношение сиг-
нал-шум, равное ц.
Для прогнозирования работоспособности ИКС при изменяющихся атмосферных ус-
ловиях важно учитывать динамику спектральной прозрачности атмосферы при суточ-
ных и сезонных изменениях погоды в географических регионах, где работает ИКС. Не-
которые статистические характеристики этого процесса для ряда районов Северного
полушария Земли приведены в [37].
3.2. СТАТИСТИЧЕСКИ УСРЕДНЕННЫЕ МОДЕЛИ
ПРОПУСКАНИЯ АТМОСФЕРЫ
Учитывая большую изменчивость погодных условий, в которых приходится рабо-
тать многим ИКС, что приводит к значительным изменениям пропускания атмосферы,
представляют интерес попытки создать вероятностные модели, позволяющие оценить
вероятность решения поставленной задачи (обнаружение, распознавание, слежение и
т.д.) в зависимости от некоторых усредненных оптических характеристик атмосферы.
Одной из них является полуэмпирическая модель WETTA, определяющая вероятность
3.2. Статистически усредненные модели пропускания атмосферы
45
различных значений показателей ослабления призем-
ной атмосферы (до высот порядка 100 м) в среднеев-
ропейских регионах при ясном небе, но при наличии
дымок и туманов различной интенсивности [204]
(рис. 3.6). При этом усредненное значение показателя
ослабления подчиняется логнормальному распределе-
нию вероятностей [142]
Рис. 3.6. Логнормальное распределение
вероятности значений логарифма
показателя ослабления атмосферы для
среднеевропейских условий в
спектральном диапазоне 8... 14 мкм
Р(а) = ехр^-0,5
Iga-lgaq,
0,198
Примеры зависимостей вероятностей обнаруже-
ния цели при отношении сигнал-шум, равном едини-
це, от эквивалентной шуму обнаруживаемой разно-
сти температур А Тп для различных аср приведены на
рис. 3.7 [142].
Другой эмпирической моделью подобного рода является база данных NSWCDD, ис-
пользуемая военно-морским флотом США для оценки усредненного пропускания атмо-
сферы в трех регионах Мирового океана [70]. Она позволяет рассчитать усредненное про-
пускание атмосферы
Tcc₽~exp(-a/p),
(3.4)
где ct] и Pi - усредненные коэффициенты, полученные по результатам большого числа на-
блюдений в спектральных диапазонах 3,4.. .5 и 8... 12 мкм (см. табл. 3.4).
«)
Рис. 3.7. Зависимости вероятностей обнаружения цели от значений А7’пнри различных
статистически усредненных а (от 0,2 до 1,0) для расстояния до цели 500 м (а) и 5000 м (б)
Роб
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 дт;,к
46
Глава 3. Влияние атмосферы на параметры и характеристики входных сигналов ИКС
Таблица 3.4
Значения коэффициентов cq и Pt в формуле (3.4) для различных регионов
Мирового океана
Процентиль, % 3,4...5 мкм 8... 12 мкм
Qi Pi «1 Р<
Норвежское, Средиземное, Аравийское, Яванское моря, Атлантический океан у
побережья Англии (число измерений - 384)
10 0,48351 0,58219 0,14316 0,85943
25 0,56137 0,57989 0,21926 0,88006
50 0,67340 0,57156 0,41487 0,88614
70 0,72825 0,56431 0,52054 0,88492
80 0,75743 0,57004 0,57288 0,88366
85 0,77748 0,57151 0,59310 0,88554
90 0,81578 0,58742 0,63084 0,88640
95 0,98757 0,69721 0,72255 0,92409
Финский и Оманский заливы, Желтое, Восточно-Китайское, Карибское моря,
Атлантический океан у побережья Англии (число измерений -400)
10 0,46450 0,60692 0,13377 0,85766
25 0,51896 0,60212 0,18370 0,87567
50 0,64507 0,56790 0,33349 0,88109
70 0,72821 0,54521 0,50976 0,88056
80 0,75606 0,54707 0,55940 0,88230
85 0,77212 0,56045 0,58038 0,88297
90 0,80774 0,59999 0,60764 0,88794
95 0,94043 0,68741 0,66784 0,88851
Оманский залив (число измерений - 720)
10 0,61407 0,51678 0,25399 0,86634
25 0,65818 0,51070 0,33741 0,87033
50 0,71219 0,52933 0,46957 0,87486
70 0,75095 0,53539 0,54834 0,88054
80 0,77125 0,54087 0,59656 0,88092
85 0,78381 0,54936 0,61977 0,88059
90 0,80013 0,56472 0,66070 0,88422
95 0,83305 0,58998 0,71566 0,89030
Приведенные в табл. 3.4 значения ai и Pi имеют различную статистическую досто-
верность (надежность). Например, 10%-ный процентиль означает, что в результате расче-
тов с помощью соответствующих а.] и Pi будут определено тс ср, соответствующее или
несколько заниженное по отношению к 10% данных, содержащихся в базе NSWCDD.
3.3. Флуктуации прозрачности атмосферы и их влияние на работу ИКС
47
3.3. ФЛУКТУАЦИИ ПРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ
И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ ИКС
При распространении излучения в атмосфере наблюдаются не только его поглощение и
рассеяние, но и флуктуации его параметров (интенсивности, фазы, угла прихода и др.),
обусловленные турбулентными явлениями - колебаниями температуры, влажности, плот-
ности воздуха, а следовательно, и его показателя преломления п. В первом приближении
зависимость показателя преломления воздуха от давления Р и температуры Т имеет вид
п = 7,9-10"2Р/Т+ 1,
где Р измеряется в атмосферах, а Т - в градусах Кельвина.
В результате турбулентных движений в атмосфере создаются оптические неодно-
родности, размеры которых колеблются от нескольких миллиметров до сотен и более
метров. Флуктуации амплитуды и фазы волны в оптическом пучке приводят к измене-
нию его структуры, расширению, флуктуациям направления пучка и интенсивности
сигнала. Чем ближе зона турбулентности к ИКС, тем больше ее влияние на качество
изображения, создаваемого системой.
Для анализа влияния флуктуационных процессов на распространение излучения в
атмосфере удобно воспользоваться структурными функциями, описывающими про-
странственную дисперсию случайного распределения п. Вид этих функций зависит от
характера (модели) турбулентности. Для локально изотропной и однородной турбу-
лентности (модель Колмогорова-Обухова) они имеют вид
сп/о'3(г//о)2 при 0<г</0;
с>2/3
const
при
при
k <r<L0;
r>L0,
где г - расстояние между двумя точками случайного поля п; 10 и Lo - внутренний и
внешний масштабы турбулентности (размеры наименьших и наибольших неоднород-
ностей атмосферы); С* - структурная постоянная турбулентности показателя прелом-
ления, характеризующая влияние неоднородностей атмосферы на распространение оп-
тического излучения.
Величины /0 и Lo зависят от высоты над землей. В приземном слое lQ = 1...2 мм и
Lq = 5... 10 мм, а на высоте Нони определяются как /0 = (Ю-9Н),/3 и£0 = (4//)1/2, если /0,
Zo и //выражены в метрах.
Значение С2 зависит от времени суток, метеорологических условий, высоты над
землей. Например, в солнечный день, когда градиейты температуры велики, значения
С2 на порядок больше, чел в облачный день. Чем более пересеченной является трасса,
по которой распространяется излучение, тем больше эти градиенты и, следовательно,
С2. Зависимость С2 от высоты Нв метрах можно определить как
48
Глава 3. Влияние атмосферы на параметры и характеристики входных сигналов ИКС
где С20 - значение С2 на высоте 1 м над поверхностью земли. В одной из моделей,
используемых для расчета С20, атмосфера разбивается на несколько слоев, внутри каж-
дого из которых С2 принимается постоянной, т.е. ее значения берутся равными: 8,4-10~15
при Нот 0 до 18,5 м; 2,87-10"’2/Я2от 18,5 до 110 м; 8,4-10"15 от 110 до 1500 м; 8,87-10’7/Я2
от 1500 до 7200 м; 2,0-10~16////im'2/3 от 7200 до 20000 м.
Другая модель (Хюфнагеля-Волли) предусматривает расчет С2 по формуле
С2 (#)=5,94-10"53(uH /27)Я1Оехр(-Я/Ю00)+
+ 2,7 -10"'6 exp (- Н /1500) + A exp (- Н /100),
где высота Н измеряется в метрах, средняя скорость ветра vH на высоте Н - в метрах
в секунду, А = 1,7-1014 м-2 3. В свою очередь скорость ветра vH может быть рассчита-
на как
vH = 5 + 30 exp {[(Я - 9400) / 4800]2}
Нужно указать, что влияние турбулентности сказывается лишь в тех случаях, когда
время наблюдения превышает так называемую атмосферную постоянную времени, ко-
торая равна
=0,058
seczjC‘(H)v,l’(H)dH
где z - угол возвышения линии визирования; X - длина волны излучения.
В последние годы на основе экспериментальных определений структурной постоян-
ной С2 при различных метеорологических условиях было предложено несколько мо-
делей для вычислений значений С2 по известной температуре (7°С), относительной
влажности (аотн, %? и скорости ветра (ри, м/с). Хорошее совпадение с экспериментом
дала следующая регрессионная модель [180]:
Сп2 = axW + bxt + c}am„ + + с3а^ + dtv + d2v2 + d3v* + e,,
где С2 измерена в м 2/3; ах, Ьь сь..., ех - коэффициенты регрессии, равные
ах = 3,8-1014; Ъх = 2,0-1015; с, = 2,8-10-15;
с2 = 2,9-10"17; с3 = -1,1-10-19; dx =-2,5-1015;
d2 = 1,2-Ю15; d3 = 8,5-1О-17; ех =-5,3-10"’3,
3.3. Флуктуации прозрачности атмосферы и их влияние на работу ИКС
49
W - весовой коэффициент, учитывающий время наблюдений (за время начала отсчета
взято время восхода Солнца, а его заход принят происходящим через 11 часов). Значе-
ния коэффициентов W зависят от времени суток. Для различных интервалов времени,
отсчитываемых от момента восхода Солнца (0 часов по выбранной шкале времени),
они равны:
Интервал, ч Значение W Интервал, ч Значение IV
-4...-3, 0,011 5...6 1,0
-3...-2 0,07 6...7 0,90
-2...-1 0,08 7...8 0,80
-1...0 0,06 8...9 0,59
(восход Солнца);
0...1 0,05 9...10 0,32
1...2 0,1 10...11 0,22
2...3 0,51 11...12 0,10
3...4 0,75 12...13 0,08
4...5 0,95 13 0,13
Еще лучшее совпадение с экспериментом дала модель следующего вида:
Cn2 = AJV + В1рТ + С1р«отн + С2р< + С3р< +
+^1Р + А2Р + А3Р + Efsc+ F\faz +
где С2 измеряется в м 273, Т - абсолютная температура в Кельвинах; W, aom, v - в тех
же единицах, что и в предыдущей формуле; Jip, 2?ip, Cip, ..., Gp - коэффициенты регрес-
сии, равные
Л1р=5,9Ю~15; В)Р= 1,610“15; С1р = -3,7-10"’5; С2р = 6,7-Ю"17;
С3р = -3,9-1019; Р1р = -3,7-ltF15; Z)2p = 1,3-10"’5; D3p - 8,2-1017;
Fp = 2,8-10’14;Flp = -l,810"14;F2p = 1,4-IO’14; Gp = -3,9-10"’3,
Sc — солнечная постоянная, кал-см 2 мин 4; а^ - общая площадь поперечного сечения
рассеивающих частиц, содержащихся в одном кубическом метре среды, см2/м3.
Мерой мерцания — флуктуаций интенсивности приходящего оптического сигнала -
служит дисперсия флуктуаций логарифма силы излучения источника
с2 =(1п7-1п/)2..
Когда длина трассы много больше внешнего масштаба турбулентности, распределе-
ние плотности вероятности Ps интенсивности сигнала подчиняется логнормальному
закону. Для однородной турбулентности атмосферы на трассе длиной I при слабых
флуктуациях (стм « 1) в случае приема излучения точечным приемником (системой с
малым входным зрачком)
50
Глава 3. Влияние атмосферы на параметры и характеристики входных сигналов ИКС
а* =1.23СХ7,б/и,б>
(3.5)
где к} = 2л/л. При этом должно соблюдаться условие I </2 /X. При увеличении / зна-
чение ам не возрастает бесконечно, а стремится к некоторому пределу.
При увеличении диаметра входного зрачка D мерцание уменьшается не беспредель-
но. Реально таким путем удается снизить ом лишь до 30% его значения, найденного по
формуле (3.5).
Мерцание имеет низкочастотный временной спектр, максимум которого приходится
на частоту /max=0,32v1/VxZ, и± — скорость ветра в направлении, перпендикулярном
направлению распространения излучения.
С увеличением зенитного расстояния z наблюдаемого внеатмосферного источника
амплитуда мерцания возрастает по закону sec z, так как увеличивается масса воздуха.
Частота мерцаний в этом случае уменьшается с ростом z. Так, у горизонта частота
обычно не превышает 5... 10 Гц, а вблизи зенита она достигает иногда 103 Гц.
Изменения оптической длины хода лучей вследствие турбулентности приводят к
флуктуациям фазы вдоль и поперек пучка. Поперечные флуктуации нарушают про-
странственную когерентность на волновом фронте, искривляют и изгибают пучок, вы-
зывают дрожание изображения. Флуктуации вдоль пучка уменьшают его временную
когерентность.
Выражение для структурной функции фазы ф имеет вид [24]
2,9 кЦС2 г5/3
1,46к21С2 г5/3
Ч(Г)=(Ф. -Фг)2 =
при 10 > Г > фТ,
при Ц<г<4м.
Дисперсия угла прихода излучения для системы с входным зрачком D определяется
как
1,46Z)I/3C2/
2,9 Г»4'3 С2/
при l0<D<-J)T,
при l0>D>yf)J.
Среднее квадратическое отклонение угла прихода на приземных трассах (дрожание
изображения) составляет единицы и десятки секунд. Как и мерцание, дрожание возрас-
тает по закону sec z, т.е. увеличивается с ростом зенитного расстояния z при наблюде-
нии звезд или других внеатмосферных излучателей.
Спектральная плотность мощности (распределение дисперсии по частотам дрожа-
ния) имеет низкочастотный характер (практически определяется диапазоном
0,1... 100 Гц). Максимум этого спектра наблюдается при частоте /п1ах = 0,22и±/£>.
Дисперсия дрожания медленно убывает (по закону степени -1/3) с ростом времени
осреднения получаемых в процессе измерения результатов. Например, для погрешно-
сти измерения смещения пучка в доли миллиметра необходимое время осреднения
иногда составляет несколько десятков секунд.
3.5. Передаточная функция атмосферы
51
3.4. ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРЫ НА КОНТРАСТ
МЕЖДУ НАБЛЮДАЕМЫМ ОБЪЕКТОМ И ФОНОМ
Абсолютный контраст в плоскости расположения объекта определяется как раз-
ность между яркостями объекта £об и фона £ф, на котором этот объект наблюдается:
КЛ=Ь.~ К.
А оо ф
При расположении объекта в атмосфере за £ф часто принимается яркость атмосферы
в плоскости расположения объекта.
Обычно понимаемое как контраст безразмерное отношение (относительный контраст)
при близких значениях £об и £ф, т.е. при £Об~ £Ф, равно
^=(10б-/<ф)/2£ф.
Ослабление излучения объекта в среде (атмосфере) и наличие ее собственного излуче-
ния на трассе распространения сигнала, характеризуемого так называемой яркостью среды
на этой трассе £с, влияет на контраст, так что в месте наблюдения (на входе ИКС) контраст
КЛкх или /€вх отличается от контраста у объекта Кд или К. С учетом коэффициента пропус-
кания среды тс для данной трассы (расстояния между объектом и ИКС) можно записать
или при сделанном выше предположении (случай порогового различения £об « £ф)
К =т KILAtL. + LC ).
ВХ С ф \ С ОО С/
Для коротких трасс, когда можно принять тс£ф+£с« £ф, Къх « тсК.
3.5. ПЕРЕДАТОЧНАЯ ФУНКЦИЯ АТМОСФЕРЫ
Влияние атмосферы на изменение контраста между объектом и фоном можно оценить
с помощью передаточной функции атмосферы М(у) - пространственно-частотной харак-
теристики ее. При моделировании и расчете этой функции следует учитывать ряд воз-
можных факторов, прежде всего атмосферную турбулентность и аэрозольное рассеяние.
Рассмотрим отдельные составляющие М(у), обусловленные этими факторами.
Если в ИКС используется накопление сигнала в течение нескольких миллисекунд и
более, то передаточная функция атмосферы, учитывающая турбулентность, может быть
представлена в виде [24, 180 и др.]
52 Глава 3. Влияние атмосферы на параметры и характеристики входных сигналов ИКС
М т (v) = ехр(- 57,3 v5'3C2 Г1'3 /),
где v - угловая пространственная частота (период-рад”1); С2 — структурная постоянная
атмосферы; Л. - длина волны излучения; Z - длина трассы.
При малых экспозициях принимаемого оптического сигнала
Л/т (v) = ехр{- 57,Зу5/3Сп2Хч/341 ~ a(lv/ £>)’,/3 ]},
где a - постоянный коэффициент: a » 1 при D > -Jm , т.е. в ближней зоне, и а а 0,5 при
D « , т.е. в дальней зоне; D - диаметр входного зрачка ИКС.
Передаточную функцию атмосферы Mp(v), учитывающую аэрозольное рассеяние,
можно приближенно определить как [151, 180 и др.]
[ехр[-aanZ-a Z(v/v )2] при v<vro,
M(v)=\ ₽ гр (3.6)
[ехр [ - (аап + аар) 7] при v > v ._.
Здесь v - угловая пространственная частота; I - длина трассы; аап и аар - эффективные
коэффициенты аэрозольного поглощения и рассеяния; vrp - граничная пространствен-
ная частота (частота среза), которая для ясной погоды определяется параметрами опти-
ческой системы, а в случае тумана, дождя и других плохих погодных условий vcp « ac/X,
где ас - радиус преобладающих в атмосфере на трассе аэрозольных частиц.
Последнее выражение иллюстрирует возможность раздельной аппроксимации
М (у) для двух случаев: в случае ясной погоды или дымки Мр не зависит от простран-
ственной частоты практически до vcp, определяемой параметрами приемной оптической
системы (ее разрешением), а в случае тумана и дождя к влиянию поглощения добавля-
ется снижение разрешения из-за рассеяния (для углов рассеяния от нуля до максималь-
ных возможных их значений).
Исследования, проведенные у нас в стране (В.Е. Зуев и др.) и за рубежом (D. Sadot et
al.), показали, что в силу ряда факторов, часто встречающихся на практике (многократное
рассеяние в пределах конечного углового поля ИКС, ограниченный динамический диапа-
зон приемника и др.) модель (3.6) целесообразно заменить более совершенной, например,
expHx^v/v^)2] exp[(exp{-aapZ [1 - (v/vrp)2]} - exp(-aap/))(-aan - /)]
Afp(v)=-
exp(-aopZ)exp{[l - exp(-aap/)(-a,J)}
при V<\'rp,
при V>Vrp.
(3.7)
В последнем выражении пространственные частоты v и vcp обычно приводят к фо-
кальной плоскости объектива, строящего изображения, т.е. они измеряются в периодах
на единицу длины или в единицах, обратных миллиметрам, сантиметрам и метрам. В
этом случае предельная частота (частота среза)
3.5. Передаточная функция атмосферы
53
ср
V”
где f - фокусное расстояние объектива ИКС.
Поскольку практически для всех ИКС значения ас и X гораздо меньше f', состав-
ляющая A/p(v) только в очень небольшом диапазоне низких частот зависит от v, т.е.
часто для учета аэрозольного рассеяния используют второе выражение формулы (3.7),
не зависящее от пространственной частоты v.
Составляющую A/p(v) передаточной функции атмосферы, как иЛ/т(у), можно пред-
варительно вычислить для известных или заданных погодных условий на трассе на-
блюдений. Для этого, например, используется регрессия вида [180]
Ч(г)=А.М',+ЛрМ'2+Л,,М<.+Л,М“.,.+-Лр('')а™+
+Klt(v)Sl + K1I,(V)S‘c+K,r(V)Sc +Lt,
где v - пространственная частота, период-мрад1; Zlp, Z2p, ...,£₽- коэффициенты регрес-
сии на различных пространственных частотах (табл. 3.5); t - температура, °C; <я0Т11 - от-
носительная влажность, %; 5с - солнечная постоянная, кал-см ^-мин1.
Общее значение передаточной функции атмосферы может быть найдено как
М(у)= Мт (v)Mp (v).
Коэффициенты регрессии в формуле (3.8)
Таблица 3.5
v, мрад 1 0,40 0,66 1,0 1,64 2,5
Ар 6,25-10^ 4,75-Ю-8 2,61-10-8 1,39-Ю"8 1,62-Ю-8
АР -1,27-10-4 -1,03-Ю-4 -5,94-10"7 -3,12-Ю-8 -3,09-10’5
•Zip -2,84-10-7 -2,98-10’7 -1,17-КГ8 -7,77-10-8 -3,19-Ю’9
ЛР 5,1910-5 5,35-Ю’5 2,40-10’5 1,53-10"5 2,90-10 6
•Ар -3,53-103 -3,47-10"3 -1,78-10’3 -1,07-10’3 -4,04-10-4
к1р 1,04-10-1 8,25-Ю2 1,19-Ю-2 2,29-10-2 3,63-10’2
К2р -1,71-Ю"1 -1,39-10-1 -2,48-10’2 -2,27-10-2 -5,88-10"2
К3р 1,19-Ю"1 1,06-10-1 4,26-10-2 1,38-Ю-2 2,42-10“2
Ар 7,17-Ю"1 7,04-10‘ 6,56-10-1 6,33-Ю’1 6,19-Ю1
Очевидно, что атмосфера является фильтром низких частот. Область пространст-
венных частот, пропускаемых ею без искажений, обычно не превышает 103 периодов на
радиан. Область частот, пропускаемых без искажений в атмосферных дымках и тума-
нах, находится в более низкочастотном диапазоне, чем в случае турбулентной атмо-
сферы.
Глава 4
КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА И ПОКАЗАТЕЛИ
ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ИНФРАКРАСНЫХ
СИСТЕМ
4.1. ОСНОВНЫЕ КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА ИКС
Критерии качества ИКС, являясь мерой успешного выполнения основной задачи,
стоящей перед системой, учитывают разнообразные тактико-технические, эксплуата-
ционные и технико-экономические требования к ИКС. В последние десятилетия неод-
нократно делались попытки сформулировать некоторый обобщенный и комплексный
критерий качества ИКС [1, 3, 37, 54, 55 и др.]. Однако, на наш взгляд, следует согла-
ситься с авторами [1] в том, что такие критерии обычно формируются на основе субъ-
ективных и эвристических соображений, полностью не определяют возможности ИКС
при решении конкретных практических задач и часто не способны помочь разработчи-
ку аппаратуры оптимизировать ее конструкцию. Поэтому здесь излагаются лишь пер-
воначальные сведения о показателях эффективности работы этих систем, наиболее час-
то употребляемых в практике их разработки и эксплуатации. Более подробно требова-
ния к критериям качества и показателям эффективности ИКС рассмотрены в [1, 34, 37,
116 и др.].
Всю используемую сегодня на практике совокупность критериев качества ИКС
можно разделить на следующие группы:
- критерии качества изображения, сформированного ИКС;
- тактико-технические параметры и характеристики аппаратуры;
- показатели эффективности достижения цели, ради которой создается ИКС;
- технико-экономические показатели.
Поскольку несмотря на неоднократные попытки понятие «качество оптического
изображения» на сегодня не имеет четкого определения, существуют несколько показа-
телей этого качества: геометрооптическая разрешающая способность (пространст-
венное или угловое разрешение) аппаратуры, контраст изображения, число переда-
ваемых уровней яркости или освещенности (уровней серого), функция передачи моду-
ляции, оптическая передаточная функция, функция передачи контраста, степень фо-
кусировки изображения и ряд других.
4.1. Основные критерии качества ИКС
55
На качество изображения и большинство из перечисленных показателей могут ока-
зывать влияние самые различные факторы, например:
- в оптической системе - аберрации, виньетирование, боковые помехи от деталей
оптической системы, эффект Нарцисса;
- в фотоприемном устройстве - частичное заполнение площади полевой диафрагмы
чувствительными элементами приемника излучения, изменение температуры излучате-
ля, неоднородность чувствительности отдельных элементов приемника, насыщение
ячеек считывания сигналов (зарядов) с отдельных элементов приемника, растекание за-
рядов;
- в электронном тракте - последствия выборки, осреднения и квантования сигналов;
фазовые эффекты, возникающие при выборке; неполная коррекция неоднородности па-
раметров отдельных чувствительных элементов приемника; нелинейность чувстви-
тельности электронного тракта к изменению входного сигнала; погрешности аналого-
цифрового преобразования и последующей реконструкции аналогового сигнала;
- в системе отображения - потери в разрешающей способности экрана при форма-
тировании изображения по горизонтали и вертикали, недостаточное разрешение дис-
плея, дисторсия изображения, ограничение контраста.
К тактико-техническим параметрам и характеристикам ИКС, определяющим воз-
можности решения ряда стоящих перед ними задач в различных условиях эксплуата-
ции, относятся: отношение сигнал-шум, чувствительность (пороговая чувствитель-
ность), обнаружительная способность, эквивалентная шумам обнаруживаемая, или
разрешаемая, разность температур и ее зависимость от пространственной частоты
(температурно-частотные характеристики), динамический диапазон принимаемых
или регистрируемых сигналов, рабочий диапазон спектра, частота кадров, угловые по-
ля (обзора и мгновенное), формат видеокадра, число элементов разрешения, однород-
ность разрешения и чувствительности по кадру и ряд других. Для ИКС различного
назначения в равной степени важны не все из перечисленных параметров и характери-
стик, однако большинство из них широко используются на практике.
Показатели эффективности ИКС отражают статистический (случайный) характер
процессов решения задач, стоящих перед этими системами. К ним относятся в первую
очередь вероятности обнаружения, классификации, распознавания и идентификации
объектов, находящихся в угловом поле ИКС, а также средние времена решения этих за-
дач. В последние годы в качестве одного из показателей стали использоваться количе-
ственные оценки уровня дешифрируемое™ различных объектов. В [1] описывается ие-
рархическая система таких показателей, учитывающая их эффективность при решении
задач в статике (при неограниченном времени наблюдения неподвижного поля объектов)
и в динамике (при ограниченном времени наблюдения и подвижном поле объектов).
Технико-экономические показатели, к которым можно отнести стоимостные оцен-
ки ИКС, ее технологичность, массо-габаритные параметры аппаратуры, время нара-
ботки на отказ, энергопотребление и ряд других, тесно связаны с показателями пер-
вых трех групп. Зачастую именно они главенствуют на начальных стадиях разработки
ИКС (системотехническое и структурное проектирование).
56
Глава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы ИКС
Приведенная классификация показателей (критериев) качества собственно ИКС и их
работы во многом условна, поскольку многие из перечисленных критериев часто нахо-
дятся во взаимозависимости, а то и просто определяют друг друга. Тем не менее сло-
жившееся на практике разделение на отдельные частные критерии, определяющие в
своей совокупности показатели эффективности ИКС различного назначения, удобно
для структурного и параметрического анализа и синтеза таких систем при их разработ-
ке, исследованиях и эксплуатации.
Ряд из перечисленных критериев качества зависит не только от параметров и харак-
теристик собственно ИКС, но и от условий их работы. К ним относятся параметры и
характеристики наблюдаемых объектов, фонов, среды распространения оптических
сигналов. Другой специфичной особенностью некоторых показателей качества является
их зависимость от свойств человека - наблюдателя или оператора, работающего с ИКС.
Рассмотрим основные из перечисленных критериев первых трех групп.
4.2. РАЗРЕШЕНИЕ
Учитывая многомерность оптических сигналов, а также разнообразие задач, решае-
мых современными оптико-электронными системами (ОЭС), в том числе и ИКС, для
описания их качественных параметров и характеристик пользуются понятиями «про-
странственное», «временное», «спектральное» и «энергетическое» (амплитудное) раз-
решение. Для большинства ОЭС, работающих в статическом режиме, наиболее важно
обеспечить хорошее пространственное и энергетическое разрешение; для систем, рабо-
тающих в динамическом режиме (при взаимном перемещении системы и пространства
объектов) наряду с пространственным и энергетическим разрешением важным является
и временное разрешение. В последнее десятилетие перед отдельными ИКС, особенно
используемыми в научных исследованиях, для мониторинга окружающей среды, для
исследования природных ресурсов, а также для автоматического распознавания обра-
зов, ставится задача иметь хорошее спектральное разрешение в сравнительно широком
оптическом диапазоне или одновременно в нескольких спектральных поддиапазонах.
4.2.1. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ
(ГЕОМЕТРООПТИЧЕСКОЕ) РАЗРЕШЕНИЕ
Пространственное (угловое или геометрооптическое) разрешение ИКС характеризу-
ет способность системы различать отдельные объекты или их детали в пространстве
объектов или в плоскости изображений. Классическими критериями пространственного
разрешения или его мерами в оптике являются критерий Рэлея, диаметр кружка Эри,
размер аберрационного кружка рассеяния (изображения точки). Под мерой пространст-
венного разрешения приемника излучения часто подразумевают угол в пространстве
объектов, стягиваемый элементом чувствительного слоя приемника, хотя существуют
4.2. Разрешение
57
алгоритмы обработки сигнала, позволяющие разрешать меньшие углы или размеры в
плоскости чувствительного слоя, где строится изображение [50, 61].
Возможность отличать одни объекты или их отдельные элементы от других во мно-
гом зависит от их физических свойств - излучательной и отражательной способностей,
температур и т.д. Наиболее часто эти различия для объектов описываются контрастом
яркостей, а для их изображений — контрастом освещенностей. В соответствии с реко-
мендациями Международной комиссии по освещению, под контрастом К понимается
отношение разности яркостей L\ и Z2 двух объектов к их сумме:
К=(Ц-L2)/(Li+L2').
Для объекта с яркостью Lo6, находящегося на фоне с яркостью L$, контраст определяет-
ся как
К — (LOf> — Lfy)/(Lo6 + L$) .
Довольно часто за определение контраста (разностного контраста) принимают
А*л (Lof> L^/Lfp.
При Zo6 > Лф контраст называется положительным, при Zo6 < £ф - отрицательным.
Иногда говорят о контрастном отношении KQ = ХОб/£ф для Zo6> £ф или Ко = £ф/10б для
Lof < L^.
Применительно к сигналам, наблюдаемым или обрабатываемым в электронном
тракте ИКС, контрасту соответствует коэффициент глубины модуляции (или просто
глубина модуляции), определяемый для сигналов синусоидальной формы от объекта и
фона.
Специфичным для ИКС является то, что критерии и меры их пространственного
разрешения неразрывно связаны с энергетическим и временным разрешением. Так,
пределом углового разрешения Афн обычно называется минимальный угловой период
разрешаемых наблюдателем на выходном изображении полос стандартной тепловой
миры, соответствующий определенной разности радиационных температур миры и фо-
на АТ. Уже из этого определения следует зависимость этого критерия от свойств от-
дельных звеньев ИКС, от условий эксплуатации системы, а также и от свойств челове-
ка-наблюдателя. Поэтому описываемый далее критерий «эквивалентная шуму разре-
шаемая разность температур» более объективен и представителен.
Другим критерием разрешения является угловой разрешаемый интервал Дфинт, рав-
ный угловому расстоянию между двумя линейными объектами, при котором отноше-
ние минимума сигнала на выходе ИКС к его максимуму составляет 0,5. Угловой период
стандартной тепловой миры, при котором обеспечивается это значение (0,5), называют
нормированным угловым разрешением А<рн [1].
В литературе [1, 8 и др.] отмечается, что пространственное разрешение ИКС можно
оценивать угловой шириной разрешения Д£ прямоугольного объекта (излучателя), кото-
рой соответствует амплитуда выходного отклика аппаратуры на сигнал этого излучате-
58
Глава 4. Критерии качества и Показатели эффективности работы ИКС
ля, равная половине амплитуды отклика на протяженный объект, обеспечивающий тот
же температурный контраст, что и прямоугольный тест-объект.
Значение углового разрешения должно сопоставляться с элементарным угловым
полем ИКС, определяемым обычно угловым размером 2соэ чувствительного слоя при-
емника излучения, приведенным к пространству объектов. В частности, принимается,
что угловая ширина линейного тест-объекта должна быть как минимум в 4 раза
меньше 2®э. При этом предполагается, что выходной отклик является функцией рас-
сеяния линии.
Иногда отношение углового поля системы 2со к угловой ширине разрешения АС, на-
зывают угловым разрешением ИКС.
Наиболее полно разрешение ИКС можно описать частотными характеристиками
(передаточными функциями, функциями передачи модуляции) - зависимостями кон-
траста от пространственной частоты тест-объекта (миры) определенной формы.
Одним из общепринятых критериев качества оптических и оптико-электронных
систем является оптическая передаточная функция (ОПФ), определяемая по реакции
системы на синусоидальное входное воздействие, т.е. на миру, прозрачность штрихов
которой меняется по синусоиде. Модуль ОПФ - функция передачи модуляции (ФПМ) и
фазор — фазовая передаточная функция (ФПФ) используются для описания как опти-
ческих, так и электронных звеньев, входящих в ИКС. Аргументом этих функций для
оптической системы и ИКС в целом является пространственная частота или ее ортого-
нальные составляющие fxnfy.
Для всей системы ФПМ и ФПФ представляют собой комбинации ФПМ и ФПФ от-
дельных ее звеньев, в линейном режиме - произведения этих функций, характеризую-
щих каждое звено ИКС.
При определении ОПФ и ФПМ пользуются отношением контраста в изображении
тест-объекта А'из к контрасту тест-объекта КТ0, т.е.
ФПМ= —— =
К
то
max min
X, max min x из
L -L .
max______nun
< Атах + Arin >
где Zmax и Zmin — максимальная и минимальная яркости соответственно.
При измерениях ФПМ различных ИКС чаще всего используются черные тела -
имитаторы объекта и фона, на котором наблюдается объект. При этом L^x определяет-
ся как еобМе (Тоб), a Amin - как ЕфМДТф), где Еоб и еф - излучательные способности, а 70б
и 7ф — температуры черных тел - имитаторов объекта и фона, соответственно; Ме (7 об) и
Ме (7ф) - функции Планка для температур Тоб и 7ф.
Глубина модуляции сигнала, поступающего на вход ИКС, часто обусловлена темпе-
ратурами Гоб и Гф. С учетом различия коэффициентов излучения объекта ео6 и фона еф
глубину модуляции, или контраст, на входе ИКС, пренебрегая влиянием среды распро-
странения, можно определить как
(Х)Л/„ (l.T’J+e, (м;)’
4.2. Разрешение
59
где Л. - длина волны излучения; Мо^к, Т^) и Мф(к, Тф) - спектральные плотности излу-
чения объекта и фона соответственно, описываемые обычно функциями Планка. Ино-
гда под контрастом подразумевают не отношение разности яркостей или плотностей
излучения объекта и фона к их сумме, а отношение разности температур ГОб и 7ф к тем-
пературе фона 7ф или просто разность и Тф [25,151].
Очень часто пространственное разрешение ИКС оценивают по функции передачи
контраста (ФПК), определяемой реакцией системы на периодический тест-объект с
прямоугольным, а не синусоидальным законом изменения яркости или прозрачности.
Переход от ФПК к ФПМ достаточно прост (рис. 4.1). Для этого можно воспользоваться
разложением прямоугольной униполярной функции (меандра) в ряд Фурье:
опадфпм^ - +ФПМ?<>
7t 3 5
или в общем виде
ФПК(Л) = -£(-!)-*
л м
ФПМ[(2Л + 1)Л]
2£ + 1
4
Пределом числу членов разложения на практике служит граничная пространствен-
ная частота/,,, (частота среза), при которой ФПМ приближается к нулю. Для дифракци-
онно ограниченных оптических систем с круглым входным зрачком диаметром D час-
тота, =Dfk, где X - длина волны излучения.
Пространственная частота, при которой ОПФ и
ФПМ снижаются до некоторого допустимого уров-
ня, например до значения предельного минимально-
го контраста, различаемого наблюдателем или всей
системой, часто служит мерой пространственного
разрешения. Иногда за нее принимают частоту
Найквиста, равную половине частоты пространст-
венной выборки изображения (входного сигнала),
осуществляемой в ИКС. В других случаях этой час-
тотой может быть первый минимум пространствен-
но-частотной характеристики приемника излучения,
соответствующий обратному значению элементар-
Пространственная частота
Рис. 4.1. Пример соотношения
ФПК и ФПМ
ного углового поля 2оэ.
В телевидении достаточно давно используется предложенный О. Шаде критерий
пространственного разрешения, требующий, чтобы ФПМ системы на частоте Найкви-
ста^ не превышала 0,15. Модифицированный критерий О. Шаде равен [34,144]:
“экв
R 1 - 1
^ЭКВ о А г °О
2Д/""
60
Глава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы ИКС
где Д£экв - эквивалентная полоса пропускания пространственных частот^; Лике (4) ~
пространственно-частотная характеристика (передаточная функция) всей ИКС.
Поскольку /Сикс (fx) учитывает снижение пространственного разрешения большинства
звеньев, составляющих ИКС, критерий Шаде позволяет определить предельное разре-
шаемое значение пространственной частоты по известным параметрам этих звеньев.
Другим критерием разрешения, полезным для оценки систем с пространственной
выборкой и определяемым полосой пропускания пространственных частот, является
критерий Лего, который для получения качественного изображения требует, чтобы не
менее 95% энергии оптического сигнала до оптической системы и пространственной
фильтрации было сосредоточено на частотах, меньших частоты Найквиста.
4.2.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ
По отношению к малоразмерным (точечным) объектам энергетическое разрешение
ИКС может оцениваться эквивалентной шуму (пороговой) облученностью Еп или экви-
валентным шуму (пороговым) потоком, т.е. значениями облученностей или потоков на
входе системы, при которых амплитуды сигналов равны средним квадратическим зна-
чениям шумов.
Очень часто для оценки энергетического разрешения ИКС пользуются понятием
«удельная обнаружительная способность приемника излучения» D , которая для одного
элемента МПИ при учете «традиционных» временных шумов (1//:шума, шума Джонсо-
на, радиационного [26, 61]) определяется как
D‘=s4a^/O„ (4.1)
где S - чувствительность приемника; Лпи - площадь чувствительного слоя; Д/э - эффек-
тивная (эквивалентная) полоса пропускания шумов; ош - среднее квадратическое зна-
чение шума на выходе приемника.
Если S = где ЛК - приращение сигнала на выходе приемника, соответст-
вующее приращению монохроматического потока ДФеъ падающего на чувствительный
слой, то, обозначая отношение сигнал-шум через ц = ДК/ош, можно записать
(«)
Представляя поток в виде числа фотонов , поступающих на приемник в едини-
цу времени (см. §2.2), и выражая полосу пропускания частот через время накопления
(интегрирования) сигнала гн, т.е. Д^=1/(2/н), получаем для монохроматического потока
ДФек на длине волны X
4 ЬФЛс
4.2. Разрешение
61
Здесь ДФдл = h - постоянная Планка; с - скорость распространения элек-
тромагнитных колебаний.
В ИКС «смотрящего» типа используются матричные фотоприемные устройства
(ФПУ), которым присущ так называемый геометрический шум, возникающий из-за не-
однородности параметров отдельных элементов чувствительного слоя приемника и
схем считывания сигналов с этих элементов. Обозначая средние квадратические значе-
ния временного и пространственного (геометрического) шумов, проявляющихся в виде
флуктуаций числа фотонов, попадающих на приемник, через ошдв и ошдг, в случае их
статистической независимости можно принять, что среднее квадратическое значение
шума на выходе ФПУ
2 2 У
°ш9ФПУ = + ‘
Тогда удельная обнаружительная способность ФПУ будет описываться следующим
выражением:
anj4,./(2Q
ДФ.Ас./о2 +а2
С/Л д| ш</в Ш(/Г
(4-3)
Для учета различных составляющих шума ФПУ и ИКС удобна модель трехмерного
шума, рассматриваемая в §7.3.
4.2.3. ТЕМПЕРАТУРНОЕ И ТЕМПЕРАТУРНО-ЧАСТОТНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ
Температурное и температурно-частотное (температурно-пространственное) разре-
шение ИКС по отношению к протяженным объектам (целям) оценивается с помощью
ряда параметров, к которым прежде всего относятся [34, 142, 151]:
- эквивалентная шумовая температура (ЭШТ, NET), определяемая как температу-
ра эквивалентного черного тела, помещенного в плоскость объекта, излучение которого
создает на выходе ИКС отношение сигнал-шум, равное единице;
- эквивалентная шуму разность температур (Д7П, ЭШРТ, Noise Equivalent Tem-
perature Difference - NETD), определяемая как минимальная разность температур двух
излучателей, например объекта и окружающего его фона или отдельных их фрагмен-
тов, принимаемых за черные тела, при которой разность сигналов, создаваемых этими
излучателями на выходе приемника излучения при последовательном во времени их
наблюдении (сканирующие ИКС) или одновременно на отдельных элементах много-
элементного приемника («смотрящие» ИКС), равна уровню шума приемника; иногда
этот параметр определяется как изменение температуры наблюдаемого излучателя, вы-
зывающее приращение выходного сигнала, равное уровню шума;
- минимальная разрешаемая разность температур (ДТр, Minimum Resolvable Tem-
perature Difference - MRTD) - разность температур элементов специального штрихово-
f>2-Глава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы ИКС
го тест-объекта (миры), при которой на выходе ИКС обеспечивается необходимое для
разрешения этих элементов (штрихов с заданной пространственной частотой их распо-
ложения) отношение сигнал-шум;
- минимальная обнаруживаемая разность температур (Д7ро, Minimum Detectable
Temperature Difference — MDTD), определяемая необходимой тренированному наблю-
дателю разностью температур тест-объекта (обычно квадратной или круглой цели) и
однородного фона, на котором он наблюдается через ИКС, для обнаружения тест-
объекта; при этом наблюдатель приблизительно знает местоположение тест-объекта и
имеет в своем распоряжении достаточное время для его обнаружения;
- динамическая минимальная разрешаемая разность температур (Д7рд DMRTD),
определяемая так же, как и Д7Р, но при относительном перемещении тест-объекта и
ИКС с определенной скоростью и используемая для оценки разрешения ИКС при на-
блюдении движущихся объектов [156]; при изменении скорости относительного пере-
мещения объекта и ИКС ее значение может заметно изменяться;
- минимальный разрешаемый контраст Kpmjn (Minimum Resolvable Contrast -
MRC), определяемый контрастным порогом чувствительности ИКС, т.е. минимальным
контрастом между объектом и фоном, который различает система.
Зависимости этих величин от размеров тест-объектов, а также от пространственных
частот мир, с помощью которых они измеряются, часто называют температурно-
пространственными и температурно-частотными характеристиками.
Для оценки качества ИКС наиболее часто используются Д7П (NETD) и Д7Р (MRTD).
На практике излучателями, разность температур и излучательных способностей кото-
рых создает эквивалентный шуму сигнал, чаще всего являются цель (объект) и фон, на
котором она наблюдается.
Если малой разности (перепаду) температур объекта и фона Д7 = 70б - Тф соответст-
вует малое приращение (изменение) сигнала на выходе приемника ДИ, т.е. дифферен-
циальная чувствительность системы равна ДИ/ДТ, то, обозначая отношение сигнал-шум
Цвых = ДИ/ош, где ош - среднее квадратическое значение шума, можно записать
Д7П = Д7/цвых.
(В §5.4 после рассмотрения формул для отношения сигнал-шум будут приведены
зависимости для расчета Д7П.)
В [54] введено понятие минимальной удельной обнаруживаемой разности темпера-
тур Д7*, эквивалентной фоновому (радиационному) шуму. Этот параметр равен отно-
шению Д7П при использовании идеального приемника, т.е. приемника, чувствитель-
ность которого ограничена радиационным фоновым шумом, к полусферическому те-
лесному углу 2тг, единичной площади приемника АПИ и единичному времени накопле-
ния гн. В [54] показано, что с достаточной для практики точностью можно написать
ЛЛЧч) =»
4.2. Разрешение
63
где к - постоянная Больцмана; Т - температура объекта; - длинноволновая граница
спектральной характеристики ИКС, D* - удельная обнаружительная способность при-
емника излучения.
Отсюда следует, что теоретически предельная обнаружительная способность прием-
ника D*(krp), вычисленная для постоянного монохроматического сигнала с длиной волны
Хгр, может быть без всякого пересчета использована для сравнительной оценки ИКС, ра-
ботающих в различных спектральных диапазонах, по степени их приближения к идеаль-
ному случаю ограничения энергетического разрешения ИКС шумами фона [54].
При ограниченном с двух сторон спектральном рабочем диапазоне .. .2i2 Для ИКС с
тепловыми приемниками излучения
АТ* «АТ*(х )<
п п \ гр /
дг;(1г)Т
Часто критерием для одновременной оценки температурной и пространственной
разрешающей способности ИКС является минимальная разрешаемая разность темпе-
ратур АТр. Этот показатель качества учитывает возможные потери пространственной
разрешающей способности в электронном тракте, системе отображения (дисплее) и в
глазу человека-наблюдателя [34, 144, 151, 167 и др.]. Он обычно определяется по раз-
решению с помощью ИКС семиполосной миры, состоящей из равной толщины полос
чередующихся четырех «горячих» и трех «холодных» с отношением высоты к ширине
7:1 (т.е. в целом мира представляет собой квадрат).
Величина ДТР учитывает не только температурное, но и пространственное разреше-
ние ИКС, что позволяет более полно характеризовать качество ее работы. Одним из
наиболее распространенных выражений для расчета АТР как функции пространствен-
ной частоты fx (мрад-1), используемой в принятой в США модели одномерной ИКС со
сканированием, является [34]
Д2 АТП
4-У14 Кикс(Л)
(4.4)
где рп - пороговое отношение сигнал-шум, необходимое для разрешения наблюдателем
миры с вероятностью 50%; часто принимается цп= 2,0...2,5, но иногда при увеличении
вероятности обнаружения или разрешения рп достигает значений 3,4...6,4 [144, 151];
КиксОх) _ передаточная функция (частотная характеристика) всей системы «ИКС + на-
блюдатель»; АР - угловой размер элемента приемника по вертикали, т.е. в направлении
по оси у, перпендикулярном траектории сканирования, мрад; vx - скорость сканирова-
ния (мрад-с-1) по оси х;
Р.СО =
о
64 Глава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы ИКС
- функция, учитывающая фильтрацию шумов в электронном тракте, системе отобра-
жения и зрительном аппарате человека-наблюдателя; ФШ(А) — спектральная плотность
мощности шума на выходе приемника излучения; K,{fx) - передаточная функция (частот-
ная характеристика) электронного тракта; К^х) - передаточная функция (частотная ха-
рактеристика) системы отображения, например видеоконтрольного устройства; Кгл (fx) -
передаточная функция (частотная характеристика) глаза наблюдателя; - простран-
ственно-частотный спектр (частотная характеристика) полосной миры как фильтра про-
странственных частот; FK - частота кадров (кадр е-1); /гл - время, которое зрительный
аппарат (система глаз-мозг) человека-наблюдателя затрачивает на суммирование и ос-
мысление визуального сигнала (часто принимают /гл = 0,1 ...0,2 с); &f3KB - эквивалентная
ширина полосы пропускания шумов в электронном тракте.
В зависимости от типа ИКС при определении составляющих, входящих в формулы
для А Гр, приходится учитывать различные факторы. Одним из таких факторов является
сложный характер шумов — пространственных и временных, определяющих рш Во мно-
гих работах для ИКС «смотрящего» типа предлагается пользоваться трехмерной моде-
лью этих шумов (см. §7.3, а также [62, 142 и др.]).
Необходимо отметить прямо пропорциональную зависимость между ДГР и ДТП и об-
ратно пропорциональную связь между ДТР и Кцкс(4)- Поскольку А’иксЮ имеет обычно
вид зависимости, монотонно убывающей с ростом пространственной частоты/^ значе-
ние ДГр растет с увеличением fx (рис. 4.2).
При определении величины цвых используются различные модели зрительного аппа-
рата человека-наблюдателя и процесса восприятия им изображения, например различ-
ных объектов на случайных аддитивных и аппликативных фонах.
Для расчета Д7Р предлагается ряд зависимостей. Например, в соответствии с разра-
ботанной в США моделью FLIR 92 значения ДГР для горизонтального (А 7^) и верти-
кального (ДГР>,) направлений определяются как
8^ксх(А) ’ р/Л 8Яикс/4)
(4.5)
где /чиксх (fx) и Аиксу (fy) ~ частотные характеристики (передаточные функции) всей
ИКС по осям х и у соответственно; fxufy- пространственные частоты по ортогональ-
ным осям х и у; Kwffx) и Кшу(/у) - составляющие так называемой трехмерной модели
шума (см. §7.3), учитывающей изменения спектра шумов в следующих за приемником
звеньях ИКС, включая глаз человека-наблюдателя с его способностью интегрировать
сигнал во времени и в пространстве, по осям х и у соответственно.
Поскольку минимальная разрешаемая разность температур Л7р является функцией
пространственной частоты fx и параметров ИКС, а также ДТП, по зависимости ДГР(£)
можно найти предел разрешения системы по fx, определяемый пределом чувствитель-
ности (рис. 4.2), который во многом зависит от низкочастотных шумов, имеющих ме-
сто в ИКС, а также от ряда субъективных факторов, в частности тренированности на-
4.2. Разрешение
65
блюдателей, определяющих ДТР. Для многих реальных систем этот предел составляет
(0,З...О,7) ДГП.
При определении ДТр чувствительность к изменению температуры (крутизна или
производная функции энергетической яркости dL^/dT или плотности излучения
dM^/dT), зависящая от температуры излучателя, определяется при температуре фона
Гф = 300 К, причем фон принимается за черное тело, т.е. его излучение описывается
функцией Планка.
Критерий Д7р тесно связан с минимальным разрешаемым контрастом Kpmin- Если
принять, что Kprnin определяется отношением разности яркостей объекта и фона к ярко-
сти фона [151], то несложно показать, что Kpmjn, как и ДТр, изменяется обратно пропор-
ционально отношению сигнал-шум и обратно пропорционально частотной характери-
стике ИКС АиксОх)- Этот критерий описывается семейством кривых, вид которых зави-
сит от уровня яркости £ф или освещенности Еф фона (рис. 4.3).
Рис. 4.2. Зависимость &Тр от пространственной
частоты fx
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
Нормированная fx
Рис. 4.3. Минимальный разрешаемый
контраст как функция пространственной
частоты
Использование ДТР в качестве оценки качества работы ИКС, особенно «смотряще-
го» типа, связано с рядом допущений и многих практических трудностей [34, 84]. Так,
период и пространственная частота стандартной семиполосной (четырехпериодной)
миры с соотношением ширины полосы к ее высоте 1:7 не соответствуют периоду и час-
тоте одно- или двумерной пространственной выборки изображения, которая имеет ме-
сто в реальных ИКС. Во многих случаях не учитывается произвольное или случайное
взаимное расположение изображения и растра приемника ИКС, т.е. их случайный про-
странственный фазовый сдвиг.
В ИКС «смотрящего» типа возникает ряд специфических проблем, например необ-
ходимость работать с изображениями, содержащими пространственные частоты, пре-
вышающие половину частоты пространственной выборки изображения элементами
приемника излучения (частоту Найквиста), или использовать микросканирование (бо-
лее подробно см. в гл. 9).
3 Инфракрасные системы
♦смотрящего» типа
66
Глава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы ИКС
0900
«Вверх» «Вниз» «Налево» «Направо»
Рис. 4.4. Тест-объекты, используемые для
определения критерия TOD
Наконец, вероятностные критерии об-
наружения и распознавания в очень
большой степени зависят от субъектив-
ных свойств зрительного аппарата чело-
века-наблюдателя. Поэтому вопросы со-
вершенствования в общем-то удобного
критерия, каковым является ДТр, посто-
янно привлекают внимание разработчи-
ков и потребителей ИКС. В то же время появляются публикации, в которых наряду с
ЛТр (или вместо него) предлагаются и другие критерии, например информационные
(см. §4.4).
В [85, 200] в качестве одного из достаточно простых способов оценки температур-
но-пространственного (контрастного) разрешения используется набор мир - равно-
сторонних треугольников различного размера с различной ориентацией одной из
вершин в прямоугольной системе координат: «вверх», «вниз», «налево», «направо»
(рис. 4.4). Критерий качества, определяемый с помощью набора таких тест-объектов
и названный авторами [85] TOD (Triangle Orientation Discrimination threshold), позво-
ляет устранить ряд отмеченных недостатков оценки качества ИКС с помощью Л7р
[83, 84, 85].
4.3. ЗАВИСИМОСТЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
РАБОТЫ ИКС ОТ ПРОСТРАНСТВЕННОГО
И ТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Успешное решение задач, стоящих перед ИКС, во многом зависит от их пространст-
венного и температурного разрешения (пространственной и температурной разрешаю-
щей способности).
Пространственное разрешение ИКС оценивается пространственной частотой, раз-
решаемой системой. Поскольку процессы обнаружения, распознавания, классифика-
ции и идентификации являются вероятностными, т.е. их успешная реализация зави-
сит от ряда случайных факторов, удобно представлять вероятность их выполнения в
виде функции пространственной частоты. Обычно в качестве этой частоты берут чис-
ло периодов N пространственной структуры (миры), приходящихся на так называе-
мый критический размер обнаруживаемого или распознаваемого объекта (число
Джонсона) [165] (рис. 4.5). Критическим называется такой размер объекта, вдоль ко-
торого ведется анализ его изображения для выявления характерных геометрических
признаков объекта. Часто за критический принимают минимальный видимый размер
объекта. Например, критическим размером для танка, наблюдаемого с земли, может
быть его высота (рис. 4.6), а наблюдаемого с воздуха - ширина или длина.
В зависимости от ракурса наблюдения объекта число Np может изменяться (рис. 4.7).
4,3. Зависимость эффективности работы ИКС от разрешения
67
j , , । 1 . . u............................................ Классификация
0,0 2,0 4,0 6,0
, , , , . , , , L j t................... Идентификация
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0
............... it . ................................. Распознавание
0,0 8,0 16,0 24,0
Рис. 4.5. Зависимость вероятности решения задач, стоящих перед ИКС, от числа разрешаемых
элементов Np [145, 151]
Проведенные в США исследования показали, что вероятности решения перечислен-
ных задач применительно к типовым объектам военной техники могут обеспечиваться
при указанных в табл. 4.1 числах элементов разрешения Ар, укладывающихся вдоль
критического размера объекта. В табл. 4.1 приведены также числа периодов Nv (числа
Джонсона), соответствующие простран-
ственным частотам fx, которые должна
разрешать ИКС. (Один период про-
странственной частоты содержит два
элемента миры со штрихами равной
толщины - темный и светлый.) Значение
пространственной частоты (в периодах
на радиан), соответствующей Ар, опре-
деляется как
f.=Ntl/h^, (4.6)
где I - расстояние между объектом и
ИКС; Акр - критический размер объекта.
Рис. 4.6. Изображения условного объекта (танка),
воспроизводимые ИКС при различных периодах
пространственной частоты Np, разрешаемых вдоль
критического размера объекта: а - обнаружение,
б—распознавание, в - идентификация [151]
Если перейти к фокальной плоскости объектива ИКС с фокусным расстоянием f (к
плоскости изображений удаленных объектов, в которой располагается МПИ), то для
получения Ар требуется пространственное разрешение
A»=W')-
68
Г лава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы ИКС
Рис. 4.7. Зависимость числа Np от угла визирования
объекта типа «танк» [226] при распознавании (1) и
идентификации (2)
Для определения вероятности Р реше-
ния поставленной задачи обычно исполь-
зуется эмпирически найденная зависи-
мость Р от нормированного числа NpfNpso,
где Л^Р5о - число Джонсона, при котором
50% наблюдателей, принимавших участие
в эксперименте по определению зависимо-
сти P=f(Np), успешно решают поставлен-
ную задачу. Часто эту зависимость опре-
деляют как [115, 144,151 и др.]
i+(^p/^pso)£1 ’
где Ei = 2,7 + 0,7(Np/Np5o). Для определения
Apse, можно воспользоваться данными
табл. 4.1.
Таблица 4.1
Значения N и Np в зависимости от заданной вероятности решения задач,
стоящих перед ИКС
Вероятность решения задачи Обнаружение Распознавание Идентификация
N TVp N 7VP N 7VP
1,00 6,0 3,00 18,0...24,0 9,0... 12,0 36 18,0
0,95 4,0 2,00 12,0... 16,0 6,0...8,0 24 12,0
0,80 3,0 1,50 9,0... 12,0 4,5...6,0 18 9,0
0,50 2,0 1,00 6,0...8,0 3,0...4,0 12 6,0
0,30 1,5 0,75 4,5...6,0 2,25...3,0 9 4,5
0,10 1,0 0,50 3,0...4,0 1,5...2,0 6 3,0
0,02 0,5 0,25 1,5...2,0 0,75... 1,0 3 1,5
0 0 0 0 0 0 0
Определив значение^ и задавшись вероятностью решения поставленной перед ИКС
задачи, можно с помощью рис. 4.5 и табл. 4.1 сформулировать требования к простран-
ственному разрешению системы.
В последние годы в связи с появлением ИКС, позволяющих анализировать изобра-
жения объектов одновременно в двух ортогональных направлениях х и у, вместо фор-
мулы (4.6) рекомендуется использовать зависимость вида
где
(4-8)
(4-9)
4.4. Национальная шкала оценок интерпретации изображений NIIRS
69
- среднее алгебраическое значение пространственных частот fx направлениях х
и у соответственно; hKpx и h^y- критические размеры объекта в направлениях х и у.
В этом случае за усредненные значения Np принимаются величины, приведенные в
табл. 4.2.
Таблица 4.2
Усредненные значения Np при двумерном анализе изображений и
50%-ной вероятности решения задачи
Решаемая задача
Обнаружение 0,75
Классификация 1,5
Распознавание 3,0
Идентификация 6,0
Следует указать, что критические размеры относятся к проекциям объекта на плос-
кость, нормальную линии визирования ИКС, а приведенные выше значения чисел
Джонсона - к горизонтальным трассам, когда угол возвышения линии визирования
близок к нулю. При наклонных трассах прохождения изучения от объекта к ИКС в сре-
дах с изменяющимся по высоте пропусканием, например в земной атмосфере, эти зна-
чения могут сильно изменяться.
4.4. НАЦИОНАЛЬНАЯ ШКАЛА ОЦЕНОК ИНТЕРПРЕТАЦИИ
ИЗОБРАЖЕНИЙ NIIRS (США)
В конце 80-х годов в США была разработана Национальная шкала оценок интер-
претации изображений NIIRS (The National Imagery Interpretability Rating Scale), пер-
вые сведения о которой появились в 1994 г. [199]. Она насчитывает 10 уровней - от 0
до 9, каждый из которых определяется набором типовых задач по интерпретации изо-
бражений, получаемых при визуальной оценке их (табл. 4.3) [199]. Подобные шкалы
были разработаны также для ИК- и многоспектральных систем. Оценки качества изо-
бражения по этой шкале зависят от масштаба, разрешения, контраста и зашумленно-
сти изображения, а также от переходной функции ИКС, т.е. реакции системы на
входной сигнал в виде оптической полуплоскости - ступенчатого перепада яркости.
В [199] приводится формула для вычисления оценки NIIRS, учитывающая эти фак-
торы. Зная параметры и характеристики ИКС и отдельных ее звеньев, можно построить
зависимость NIIRS от дальности до объекта, имеющую вид монотонно убывающей
функции.
70
Глава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы ИКС
Таблица 4.3
Уровни визуальной интерпретации изображений NIIRS
Уровень (балл) интерпре- тации Примеры интерпретации изображения Разрешение ИКС, приведенное к плоскости расположения объекта, м
0 Невозможность интерпретации из-за затемнения, дегра- дации изображения или плохого разрешения —
1 Обнаружение средних по размерам портовых соору- жений, различение взлетно-посадочных полос и шос- сейных дорог >9
2 Обнаружение больших ангаров на аэродромах, боль- ших неподвижных радиолокаторов, крупных строений >4,5
3 Идентификация формы крыла у больших самолетов, крупных судов в портах; обнаружение поездов и желез- нодорожных составов >2,5
4 Идентификация всех типов крупноразмерных лета- тельных аппаратов и подвижных объектов военной тех- ники, обнаружение открытых люков ракетных пуско- вых шахт >1,2
5 Идентификация отдельных железнодорожных транс- портных средств, передвижных радиолокаторов, такти- ческих ракет вида «поверхность-поверхность» (опре- деление типа) >0,75
6 Классификация малых вертолетов различных марок; идентификация автомобилей различных конструкций, запасных колес у автомобилей средних размеров >0,4
7 Идентификация входов, лестниц, люков передвижных радиолокационных станций, обтекателей и других эле- ментов оборудования боевых самолетов >0,2
8 Идентификация рисунка заклепок на корпусе самолета- бомбардировщика, стеклоочистителей объектов воен- ной техники, посадочных мест для ракет воздушного боя >0,1
9 Идентификация номеров и других знаков на средствах передвижения, винтов и болтов на ракетах; обнаруже- ние отдельных костылей на железнодорожных шпалах <0,1
4.6. Информационные критерии качества ИКС 71
4.5. ЗАВИСИМОСТЬ ВЕРОЯТНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТА
ОТ ВРЕМЕНИ НАБЛЮДЕНИЯ СЦЕНЫ
Еще в 70-е годы была предложена эмпирическая модель, учитывающая зависимость
вероятности обнаружения объекта, находящегося в угловом поле ИКС, от времени на-
блюдения сцены /:
(О = Р. {1 - ехр[- (IP. ) / 3,4]}, (4.10)
где Ра, - приближение вероятности обнаружения для бесконечно большого времени на-
блюдения, определяемое как доля достаточно большого числа наблюдателей, обнару-
живающих объект за неограниченное время наблюдения.
Такая модель соответствует тому факту, что объект, для которого Р» больше, обна-
руживается быстрее, чем объект, для которого Р« меньше. В настоящее время предла-
гается ее усовершенствовать, так как она не пригодна для случая отсутствия фона, на
котором наблюдается объект (случай нулевого клаттера), при наблюдении невоору-
женным глазом [147]. Другие ограничения этой простой модели связаны с изменения-
ми соотношений между размерами угловых полей для разных ИКС.
Иногда выражение для РОб(0 немного видоизменяют:
Рл(О = Р.! 1 - ехр [- (/ -1, ) / г]}, (4.11)
где т - постоянная времени экспоненциальной зависимости, соответствующая 0,63 ус-
тановившегося ее значения; - время, затрачиваемое наблюдателем на фиксацию фак-
та обнаружения объекта.
Экспериментальные исследования, проведенные лабораторией ночного видения и
электронных датчиков армии США (NVESD), позволили рекомендовать следующее
выражение для определения т в случае умеренного пестрого фона, на котором находит-
ся объект (умеренного клаттера) [115,144,226, 227]:
т = 3,0 -2,2Ра.
При увеличении «зашумленности» наблюдаемого процесса (пестрого фона)
т = 4,0 - 2,65Р«>,
т.е. постоянная времени т процесса обнаружения увеличивается на некоторое значение,
составляющее, по данным [226], около 0,5 с для больших и около 1 с для малых Рт.
4.6. ИНФОРМАЦИОННЫЕ КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА ИКС
Для оценки предельных возможностей ИКС в последние десятилетия часто исполь-
зуют так называемые информационные критерии, базирующиеся на положениях теории
72 Глава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы ИКС
информации. Например, понятие «информационная емкость», позволяющее оценивать
системы образования и обработки оптических изображений, характеризует возмож-
ность преобразования системой максимального количества информации, переносимого
оптическим сигналом в виде потока излучения.
Для фотонной формы представления оптического сигнала в видимой и ближней ин-
фракрасной областях оптического диапазона методика оценки информационной емко-
сти описана А. Роузом в [49]. Мера этой емкости представляется зависимостью геомет-
рического разрешения Np от контраста Кт, оцениваемого долей максимального числа
фотонов за время одного кадра, порогового отношения сигнал-шум цп и максимальной
плотности потока излучения, создаваемого объектом (числа фотонов Nqc, приходящих-
ся на единицу площади изображения за время одного кадра), имеющей вид
(4.12)
В [55] была обоснована целесообразность ввода критерия «потенциал оптического
изображения», позволяющего сопоставить эффективность работы ИКС в различных
участках оптического диапазона спектра и сравнить информационную емкость тепло-
визионного изображения и изображения, создаваемого зрительным аппаратом челове-
ка. В дополнение к [49] методика, изложенная в [55], учитывает ряд особенностей ра-
боты тепловизионных ИКС, в первую очередь наличие излучения фона («фонового
пьедестала»), которое должно «вычитаться» из сигнала, образуемого ИКС.
Если на изображение объекта (сигнал) с плотностью фотонов Nqc накладывается
равномерное по угловому полю или площади кадра изображение фона с плотностью
распределения фотонов по площади Nq(f, то максимальное число фотонов, собираемое
на площади элемента разрешения с размерами d*d, равно (Nqc +Nq$)d2. Сигнал с эле-
мента разрешения, например с элемента чувствительной площадки приемника излуче-
ния, при заданном контрасте Киз пропорционален величине K^N^d2, а среднее квадра-
тичное значение шума - д/Лгг;с + А,ф(/2. Приравнивая отношение сигнал-шум требуемо-
му значению цп, можно получить
N,=(KM(N„/Jn^N^). (4.13)
При ламбертовском характере излучения объекта и фона выражение (4.13) приво-
дится к виду
Хр =(^из /M„)sin2(co3)ZHnX/д/sin2 соэ/нПд(^е+^ф) = д )
=(^из/Н„)»тсоэ7^я'/>инф,
где соэ — половина углового размера элемента разрешения (обычно отношение размера чув-
ствительного элемента к фокусному расстоянию объектива); Гн - время накопления (время
кадра); т]9 - эффективный квантовый выход оптической системы и фотоприемника;
4.7. Некоторые конструктивные параметры инфракрасных систем 73
N'c и А'ф “ плотности фотонов сигнала и фона в пространстве объектов соответственно,
т.е. числа фотонов, испускаемых с единицы площади плоскости наблюдения за единицу
времени в полном апертурном угле; Ринф = KmN4e /^чс + N* - информационный по-
тенциал оптического изображения. Критерий Ринф, предложенный в [54], характеризует
динамический диапазон и объем информации, носителем которой является излучение
объекта наблюдения. Как следует из (4.14), ИКС воспринимает лишь часть этой инфор-
мации, определяемую произведением коэффициентов перед Ринф в (4.14).
Предельно достижимый динамический диапазон сигналов от отдельных чувстви-
тельных элементов фотоприемника ИКС при тц = 1 и равномерной их облученности
определяется из (4.12)-(4.14) как [54]
= KmN4CAm /^(Л^ + =ыпазРт^Ат t„. (4.15)
Формулы (4.14) и (4.15) можно использовать для оценки предельных возможностей
различных ИКС, для сопоставления различных систем на начальном этапе их проекти-
рования.
4.7. НЕКОТОРЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИКС
К геометрооптическим параметрам ИКС прежде всего относятся угловое поле обзо-
ра, т.е. размер пространства объектов, «просматриваемый» ИКС в процессе ее работы,
мгновенное угловое поле, или просто угловое поле (поле зрения) ИКС, элементарное уг-
ловое поле - размер пространства объектов, соответствующий одному элементу прием-
ника излучения («стягиваемый» этим элементом), дисторсия изображения и линей-
ность сканирования. Для автоматизированных ИКС, например систем технического
зрения промышленных роботов или систем воздушной либо космической разведки, эти
параметры обусловливают достижимую точность определения координат контроли-
руемых объектов, их формы, размеров, скорости движения и т.д. Геометрооптические
параметры следует также учитывать при выборе размера и формата монитора, которые
должны быть согласованы с параметрами других звеньев ИКС, в первую очередь опти-
ческой системы и приемника излучения, а также с требуемыми для комфортной работы
условиями наблюдения экрана монитора человеком-наблюдателем.
Динамический диапазон ИКС определяется обычно отношением максимального
сигнала к уровню шума стш ИКС. В децибелах он равен
^Удин ~ 201g (Гп1ах/ош).
Спектральный рабочий диапазон определяется по уровню 0,1 относительной спек-
тральной чувствительности всей ИКС.
Для ряда ИКС, например систем воздушного или космического базирования (разве-
дывательных, экологических, научных и др.), важным параметром является угловая
74
Глава 4. Критерии качества и показатели эффективности работы ИКС
скорость перемещения изображения, которую можно определять как отношение ли-
нейной скорости взаимного относительного перемещения ИКС и плоскости объектов к
расстоянию от ИКС до этой Плоскости. Для характеристики ИКС тепловизионного ти-
па вместо этой скорости чаще используется частота кадров FK, а вместо принятого для
описания сканирующих систем углового поля обзора - размеры углового поля по стро-
ке и по кадру (в ортогональной системе координат).
Помимо рассмотренных параметров и характеристик для оценки качества ИКС, и в
частности их технико-эксплуатационных свойств и технико-экономических показате-
лей качества, используются и другие, рассматриваемые в многочисленных публикациях
[40,48,51,61, 116, 151 и др.].
Глава 5
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ
ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
5.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИНФРАКРАСНОЙ СИСТЕМЫ
Для оценки показателей качества инфракрасных систем, рассмотренных в гл. 4, а в
более общем случае - для синтеза и анализа этих систем, т.е. для нахождения опти-
мальной структуры ИКС и требований к параметрам и характеристикам отдельных
звеньев системы, необходимо провести ряд расчетов, обычно называемых энергетиче-
скими. Чаще всего эти расчеты предназначены для определения энергетических соот-
ношений между полезным сигналом и шумами (помехами), а также структуры системы
и важнейших параметров и характеристик ее основных звеньев, при которых обеспечи-
ваются требуемые показатели качества.
Методики энергетических расчетов ОЭС, в частности ИКС, неоднократно рассмат-
ривались [40, 48, 61, 151]. В достаточно обобщенном виде их можно свести к следую-
щему алгоритму [61]:
- составление рабочего (основного энергетического) уравнения или неравенства, ус-
танавливающего в общем виде связь между полезным сигналом, помехами и шумами и
являющегося обобщенным описанием алгоритма работы ИКС с учетом особенностей
ее структуры и критерия качества ее работы;
- представление входящих в это уравнение значений полезного сигнала, шумов и
помех в виде функций параметров и характеристик излучателя, передающей системы,
наблюдаемого объекта, среды распространения оптического сигнала, приемной сис-
темы;
- решение развернутого рабочего уравнения относительно одного или совокупности
нескольких входящих в него конструктивных параметров либо заданного критерия ка-
чества (выходного параметра) ИКС;
- выбор и расчет остальных параметров, а также проверка выполнения условия,
сформулированного или заданного на первом этапе расчета.
Для таких расчетов весьма полезна энергетическая модель системы, представляю-
щая собой совокупность отдельных составляющих сигнала на входе системы в виде
потоков, яркостей или облученностей, создаваемых наблюдаемым объектом, фонами,
помехами [48, 61]. Обобщенная схема такой модели (рис. 5.1) учитывает тот факт, что
76 Глава 5. Энергетические расчеты инфракрасных систем
сигналы, поступающие на вход ИКС от отдельных излучателей (объектов, фонов, по-
мех, среды распространения излучения), могут создаваться как собственным, так и от-
раженным и рассеянным излучением. В общем случае число отдельных составляющих
может быть более двух десятков (см., например, [48]). Однако на практике обычно уда-
ется выделить несколько наиболее мощных составляющих и только их принимать во
внимание при составлении рабочего уравнения и его решении.
Рис. 5.1. Структура оптического сигнала, поступающего на вход ИКС:
|----► - собственное излучение источника (объекта, помехи, фона, среды), поступающее на вход
ИКС;
—► - излучение, отраженное от источника (объекта, помехи, фона) и поступающее на вход
ИКС;
—►►► - излучение, рассеянное в среде и поступающее на вход ИКС;
— - рассеянное излучение, обусловленное как собственным, так и отраженным излучением ис-
точника;
---- поглощенное излучение, обусловленное как собственным, так и отраженным излучением
источника
Структура энергетической модели, состоящей из собственного излучения объекта,
фона и среды, находящейся в элементарном угловом поле ИКС (в телесном угле
ДОИКС), а также отраженного от них или рассеянного ими излучения, создаваемого
помехой или окружающей средой, находящимися вне углового поля ДОикс, показана
на рис. 5.2. Поскольку пропускание среды распространения (обычно атмосферы) не-
однородно по трассе, среда разбита на отдельные зоны (слои), находящиеся в термо-
динамическом равновесии. Внутри каждого и-го слоя его температура Тсп, спектраль-
ный коэффициент излучения ес„(Л) и спектральный коэффициент пропускания тс„(Х)
приняты постоянными. Нумерация слоев начинается От слоя п = 1, в котором нахо-
дится входной зрачок ИКС. Объект наблюдения, расположенный на расстоянии /об от
ИКС, находится в слое иоб. Излучатель, являющийся фоновым (фоном), находится в
слое «ф на расстоянии /ф от ИКС.
5.1. Энергетическая модель инфракрасной системы
77
В общем случае не обязательно, чтобы наблюдаемый или контролируемый объект
находился ближе к ИКС, нежели другой излучатель, например облачность или элемент
ландшафта, принимаемый за фон, т.е. возможны случаи, когда /Ф</Об и /ф = /об-
Очень часто, особенно при работе в длинноволновой области ИК-диапазона
(8... 14 мкм), спектральные коэффициенты излучения е(Х) и пропускания т(А) связаны
соотношением е(Х) = 1 - т(Х). Так, для среды распространения достаточно большой
протяженности, наиболее часто - атмосферы, обычно принимается
ес(Х)=1-тс(Л).
(5.1)
Практически все модели яркости поверхности или элемента поверхности источни-
ков излучения (объектов, фонов, помех) представляются в виде суммы двух состав-
ляющих - яркостей собственного и отраженного излучений - и описываются достаточ-
но общим уравнением вида [151]
А(6Г,Ф,; ЭДЕ, (бг , <К; ЭДОД, *) + Jp, (в., Ф, А, Ф,; ЭД (6, > Ф,; ЭДЦ, (5-2)
где Ls - спектральная плотность яркости элемента поверхности 5 (рис. 5.3); 6Г - зенит-
ный угол направления излучения, отраженного от 5 к ИКС; фг - азимутальный угол того
же направления; X - длина волны излучения; е5 - спектральный коэффициент направ-
ленного излучения поверхности 5; M(TS, А) - функция Планка для черного тела с темпе-
ратурой Ts поверхности л; рг(6;, ф;; 6Г, фг; Л) - спектральный коэффициент направленно-
го отражения поверхности 5; L^Qj, ф,; X) - спектральная плотность яркости падающего
на элемент 5 излучения в направлении i; Q, - телесный угол с вершиной на элементе s и
основанием - видимой в направлении i площадью источника, облучающего поверх-
ность 5. На рис. 5.3 углы 6(- и
ф, - зенитный и азимуталь-
ный углы направления i от
элемента 5 к источнику «по-
стороннего» облучения. Здесь
и далее при обозначениях яр-
кости L и плотности излуче-
ния М для упрощения опущен
индекс е (энергетический).
Отраженная составляю-
щая - второе слагаемое в пра-
вой части (5.2) - представляет
собой интеграл по всем на-
правлениям i углов падения
«постороннего» облучения. В
общем случае коэффициент
Помеха
Рис. 5.2. Энергетическая модель ИКС
отражения по двум угловым
78
Глава 5. Энергетические расчеты инфракрасных систем
координатам является функцией пяти
параметров, описывающих оптические
свойства непрозрачной поверхности,
часто называемой спектральной функци-
ей распределения двунаправленного от-
ражения:
рЛ9,,<1>,;6гЖД) =
ЛД6г,фг;Х)
где Ls(Qr, фг; А) — спектральная плотность
Рис. 5.3. Диаграмма, поясняющая определение яркости поверхности s в направлении
яркости излучающей поверхности (6Г, фг), создаваемая падающим извне на s
потоком; Zsz(6z-, ф,-; X) - спектральная
плотность облученности, создаваемой «посторонним» источником на поверхности 5.
Например, для идеально рассеивающей во всех направлениях поверхности (ламбертов-
ской) с постоянным по углу коэффициентом отражения р (изотропная поверхность, без
учета состояния поляризации излучения)
рг(Х) = р(Х)/л.
В этом случае (ламбертовское приближение) вместо (5.2) часто принимают
Ls (X) » - е5 (к)М(Ts Л) + - р(Х) fl, (б,., ф,; X)JQ .
л л Г '
(5-3)
(5-4)
Интеграл во втором слагаемом (5.4) для равнояркого во всех направлениях i источ-
ника является облученностью Es, создаваемой на поверхности s, т.е.
AW « -е,(Х)М(Г,А)+1р(Х)Е,(Х).
л л
(5.5)
Для энергетической модели, представленной на рис. 5.2 и часто используемой на
практике, представляет интерес составить выражения для отдельных составляющих
сигнала - яркостей, приведенных ко входу ИКС. Этими составляющими являются:
- яркость излучения, собираемого внутри телесного угла AQo6 и обусловленного
собственным и отраженным излучениями объекта, а также излучением среды на трассе
длиной /об внутри этого угла;
- яркость фона, наблюдаемого ИКС в пределах телесного угла АОикс - АПоб, не за-
нятого объектом; эта яркость вызвана собственным и отраженным (обычно рассеян-
ным) излучениями фона, а также излучением среды на трассе длиной /ф внутри угла
АПикс ~ AQ06-
В соответствии с (5.1), (5.3.) и (5.5) первую из этих составляющих можно опреде-
лить в виде суммы:
5.2. Расчет потоков и облученностей на входном зрачке системы
79
"об
= 6л(М^«,ЛТл)+-Рл(М£л(Х) Пт«.(х>+
Л п-1
I— _□ Л—1
«об Л-1 , _
(5-6)
вторую составляющую яркости - в виде
i„,(X)= £,(^4,(Х,Гф) + 1рф(Л)£ф(Х) Пт.(>) +
ТС И=1
+Ёд(<.)Пт<д>[1~М’-)].
И=| /=1
(5.7)
где Lo5, £ф и Lcn - яркости объекта, фона и л-го слоя среды соответственно; еоб, Еф, роб и
рф - коэффициенты излучения и отражения объекта и фона соответственно; Тоб, Т$ и Тс -
температуры объекта, фона и среды. Здесь объект и фон принимались за ламбертовские
отражатели, а излучательные способности и яркости по их поверхностям и в пределах
телесных углов ДО0б и ДОикс - ДОоб постоянными.
Если известны не облученности Ео6(Х) и £ф(Х), создаваемые источником «посторон-
него» излучения в плоскостях объекта и фона, а приведенные к этим плоскостям ярко-
сти этого источника L привоб(^) и L лривф^Х в первых квадратных скобках (5.6) и (5.7)
для изотропно отражающих объектов и фонов слагаемые роб(к)Ео5(кУп и рф(Х)Бф(Х)/л
следует заменить на Роб(Ц£прив обРО и Рф(^)/-прив ф(Х), соответственно. Аналогично в та-
ких случаях для непрозрачных излучателей может быть удобнее использовать зависи-
мости роб(Х) = 1 - Еоб(Л,) И Рф(Х) = 1 - Еф(Х).
5.2. РАСЧЕТ ПОТОКОВ И ОБЛУЧЕННОСТЕЙ
НА ВХОДНОМ ЗРАЧКЕ СИСТЕМЫ
Расчет потоков и облученностей на входе системы базируется на определении ос-
новных энергетических и фотометрических величин, приведенных в §2.1. Все возмож-
ные на практике случаи удобно разделить натри группы: излучатель точечный; излуча-
тель, конечные видимые размеры которого меньше углового поля (иногда такой излу-
чатель называют площадным); излучатель, размеры которого перекрывают все угловое
поле системы («протяженный» излучатель). Любым из указанных излучателей может
быть как источник полезного сигнала (наблюдаемый объект), так и помеха.
Основной энергетической характеристикой точечного излучателя является сила из-
лучения /е- Для малых телесных углов поток ДФе или облученность Ее на входном
зрачке площадью Лвк можно рассчитать по формулам:
(5.8)
80
Глава 5. Энергетические расчеты инфракрасных систем
(5.9)
где тс - коэффициент пропускания среды распространения излучения (атмосферы) на
пути I от излучателя до входного зрачка. Для селективного излучателя или приема
излучения в каком-либо спектральном участке Х1...Х2, зная вид функций тс(Х) и /е(Х),
можно легко определить значения ДФе и Ее для рабочего диапазона длин волн. На-
пример,
p.(WA)<a.. (5.Ю)
Следует учесть, что формулы (5.8) и (5.9) справедливы только для небольших те-
лесных углов ДО » Аък/12, в пределах которых сила излучения источника постоянна.
Если же /с зависит от направления внутри телесного угла ДО, нужно учитывать закон
распределения силы излучения в пространстве, а изредка и зависимость тс от направ-
ления внутри телесного угла ДО. С учетом этого выражение (5.10) можно предста-
вить в общем виде
ДФ = J |тс(Х,О)/с (Х,О)бШ/О.
ЛЯ X
Рассмотрим случай, когда излучатель конечной площади занимает часть углового
поля оптической системы. Энергетической характеристикой такого излучателя чаще
всего служит яркость Le. Поскольку на практике часто размеры источника излучения
значительно меньше расстояния до него, можно Воспользоваться известной формулой
для определения потока, приходящего на вход ИКС от расположенного на оси системы
элемента с видимой площадью ДЛ:
ЛФ.=-гДЛХ-1„//!, (5-11)
где = пГг/4 - площадь входного зрачка системы.
Для этого случая облученность входного зрачка
£е = тс Ze ДЛ/Z2. (5.12)
Для небольших значений телесного угла Д£2г « ДЛ/Л в пределах которого Le = const,
Ес Тс Ес ДС^2-
Как и в предыдущем случае, при спектральной селективности излучения и пропус-
кания среды поток на входе системы
(5.13)
5.2. Расчет потоков и облученностей на входном зрачке системы
81
Если излучатель представляет собой серое тело с коэффициентом излучения &г, вы-
ражение (5.13) можно с учетом следствия из закона Ламберта (Ме(Х) = TtLe(kJ) предста-
вить в виде
^2
|т,(Х)М,(Х)Л,
К
ДФ. К
СА>| •••Л*
D2LA
“Ет 4/2
(5.14)
где Л/е(Х) - функция Планка.
Если излучатель перекрывает элементарное угловое поле системы, т.е. площадь Лпи
чувствительного элемента приемника излучения, то без учета спектрального характера
величин тс и Л/е поток ДФВ, поступающий на элемент МПИ, определится как
Дф' = т т --——L » т т ——L ,
е с °(1 + 4№) е с °4К2 '
(5.15)
где т0 - коэффициент пропускания оптической системы; К = f'/D - диафрагменное
число объектива, строящего изображение;/'- фокусное расстояние объектива.
С учетом спектральных соотношений для рабочего спектрального диапазона Х1...Х2
последнюю формулу можно переписать в виде
тт.А г2
дф; х = [тс(Х,)т0(Х)£е(Х,)^ = ЛвхДПэ
A.J
Х.2
Jtc(X)to(X)4(X.)JX,
*1
(5-16)
где ДОЭ = ЛП1#'2 ~ телесный угол, стягиваемый чувствительным элементом МПИ.
Полученные формулы, как и приведенные в §5.1, можно использовать для представ-
ления энергетической модели ИКС в виде совокупности потоков или облученностей,
соответствующих конкретному случаю работы ИКС. Так, для модели на рис. 5.2 при
отсутствии объекта в угловом поле ДОикс = Д£/, т.е. при обусловленности приходяще-
го на вход ИКС сигнала только излучением протяженного фона и среды, с учетом (5.7)
и (5.16) поток излучения на входе ИКС
Ъ " 1 лф
A^eK,...X.2 = Еф(^)2-ф(^->/|))'1 Рф(^)
X, [L К J»=l
+Е4(^)Птл4-^(^)]}^-
П=1 J=1
(5.17)
82
Глава 5. Энергетические расчеты инфракрасных систем
5.3. РАСЧЕТ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ-ШУМ
НА ВЫХОДЕ ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
Отношение сигнал-шум может характеризовать качество работы ИКС как самостоя-
тельно, так и в составе других покАзателей (см. гл. 4). Оно определяется для различных
точек структурной схемы ИКС и учитывает и внутренние, и внешние источники шумов, а
также влияние случайных неконтролируемых изменений полезного сигнала и всевоз-
можных помех, например нестационарных во времени и пространстве изменений яркости
фона. Наиболее часто это отношение рассматривается на выходе приемника излучения:
ц = -------г--—---------, (5.18)
w
где X - длина волны излучения;/- частота, Гц; 5(А,,/) - чувствительность приемника
излучения; ДФ'(Х,/)- попадающий на приемник поток излучения или его изменение,
регистрируемое ИКС; С/ш(/) - спектральная плотность мощности шумов, приведенных к
выходу приемника.
Это выражение не учитывает зависимость функций S(k, f) и ДФ'(А,,/) от углов па-
дения потока на чувствительную площадку, поскольку для малых углов и площадей
они обычно могут быть приняты постоянными.
Помимо общего случая, когда спектральная плотность мощности шумов и помех
(спектр Хинчина-Винера) в знаменателе (5.18) рассматривается как совокупность
внешних и внутренних составляющих шума (обычно аддитивная, т.е. как сумма), часто
используются более простые, хотя и частные, но вполне приемлемые для разнообраз-
ных практических применений выражения. Так, в случае преобладания внутренних
шумов приемника излучения, учитываемых с помощью такого распространенного па-
раметра, как удельная обнаружительная способность приемника
В,(Х.,/,Д/) = 5(А'’/)^И^Э , (5.19)
где/- частота временная; Лпи - площадь чувствительного слоя приемника; Д/ - эффек-
тивная полоса пропускания шума; аш - среднее квадратическое значение шума на вы-
ходе приемника, величина ц определяется как [34,61 и др.]
и= |дф,(х)т.(Х)о-(Х)<л./Дл4 , (5.20)
дх
где т0(л) - спектральный коэффициент пропускания оптической системы; ДХ = .. ,Х.2 -
рабочий спектральный диапазон ИКС.
Потоки ДФе, приходящие на вход ИКС, можно определить с помощью выражений
5.3. Расчет отношения сигнал-шум на выходе приемника излучения 83
Потоки ДФе, приходящие на вход ИКС, можно определить с помощью выражений
вида (5.10), (5.11), (5.13)-(5.17) и им подобных. Так, для точечного излучателя
ь" (5.21)
Для протяженного излучателя, перекрывающего элементарное угловое поле ДОЭ,
1* =[т,(л)го(>.)Л,(/.)0'(Х)А. (5.22)
л/Л-Л/, Д
В этих формулах не учитывается зависимость s и Dot частоты/ т.е. s и D* прини-
маются постоянными в пределах Д/.
Если яркость реальных излучателей выразить через их излучательную способность
е(Х) и яркость черного тела L4J , то (5.22) можно переписать как
1"йП; fcMMWWW . (5.23)
V4..V, i
Иногда удобно использовать фотонную форму представления сигналов, т.е. выра-
жать яркость L4J через число фотонов L™ с энергией (см. §2.1), попадающих на
приемник:
L” =L':l(hc„l-k), (5.24)
а также учитывать свойственную большинству фотонных (фотоэлектрических) прием-
ников зависимость
= (5.24)
где D*^ - максимальное значение D* на соответствующей длине волны ХГ1ах.
С учетом (5.24) и (5.25) выражения вида (5.21)-(5.23) можно преобразовать к виду,
более удобному для различных частных случаев.
На первых этапах анализа и расчета параметров и характеристик многих ИКС часто
рассматривается упрощенная энергетическая модель системы (рис. 5.2), когда на вход
ИКС поступает либо аддитивная смесь сигнала от наблюдаемого объекта, среды и фо-
на, либо только сигнал от фона и среды. В этом случае важно определить контрастное
отношение сигнал-шум цк в виде
V -V
\ (5.26)
84
Глава 5. Энергетические расчеты инфракрасных систем
где ГОб+ф - сигнал на выходе чувствительного элемента приемника излучения при на-
личии объекта и фона в угловом поле ДПЭ, как это показано на рис. 5.2; Рф - сигнал на
выходе приемника, когда объект отсутствует и все угловое поле ДПЭ занимает фон.
Изменение сигнала ДИ = ИОб+ф- Иф может соответствовать случаю перехода (последо-
вательного просмотра или опроса) от одного пиксела многоэлементного приемника излу-
чения (МПИ), на котором присутствует изображение объекта, к другому, на котором со-
держится только изображение фона, или появлению объекта на стационарном фоне.
Пользуясь соотношениями (5.6) и (5.7), несложно получить выражение для изме-
нения потока излучения ДФе в диапазоне ДА,, которому соответствует изменение сиг-
нала ДР:
ДФ, = л AQ, f[l,. (X) - L.. (X)ldX =
е вх оо J L об! v z ф! х zj
ДХ
_гг 1 "1
Г еЛ(Х)ДЛ(Х,ГЛ)+-рЛ£Л(Х) ПТЛХ) +
dlL п JV
л-1 Г 1 Г 1 1 л*
)ПТ<Д)Р-ЧГО]- е<,(Х)Д,(Х,Гф) + -рф(Х)£'ф(Х) ПТЛМ-
7=1 71 „=1
дх
"об
-А ДП-
вх об
ДХ
(5.27)
Для частных случаев, например при одинаковых расстояниях от ИКС до объекта и
фона, т.е. при нахождении их в одном и том же слое среды (см. рис 5.2) иоб = Иф, эту
формулу и ей подобные можно заметно упростить.
При преобладании внутренних шумов (шумов приемника излучения) выражение
(5.21) для случая образования контрастного отношения сигнал-шум можно преобразо-
вать, заменив яркость £е(Х) на разность яркостей объекта L<&\(А) и фона£ф1(А):
ц, =4“ Ik.(X)- Д«(Х)Е(X)D’(X)dX, (5.28)
V4-V. i.
где (X) и Т,ф1(Х) могут быть определены с помощью формул (5.6) и (5.7).
При небольшом различии ДТ в температурах объекта ТОб и фона Тф можно принять,
Z,o61 (М ~ ^ф1 (^) = Д. (А), и с некоторым приближением записать
об! \ / ф1 \ / sJ'T'
(5-29)
Тогда для упрощенной энергетической модели ИКС, учитывающей только собст-
венные излучения объекта и фона, т.е. при тс Об(Х) = тс ф(Х) = тс(Х), еОб(Х) = бф(Х) = 1 и
ДФ, = л„дп, ]Ч(Х)[дл1(Х)-д„(Х)]а, вместо (5.26) можно записать
дх
5.4. Расчет эквивалентной шуму разности температур
85
^АПЭДТ г ^\dLc(k) . .
Алл дх dT
(5.30)
Для фотонной формы представления сигналов при квантовой эффективности при-
емника излучения ц6Д) регистрируемое ИКС число фотонов, соответствующее разно-
сти потоков от объекта и фона за время накопления сигнала t„, равно
д« = Лд^„ рс(*КФ) - ’Ъ •
дх
При этом отношение сигнал-шум
Н9=дя/Т?’
(5-31)
где часто принимается, что дисперсия флуктуаций числа фотонов а2п определяется
как сумма дисперсий флуктуаций числа фотонов, попадающих на приемник от на-
блюдаемой сцены и от элементов конструкции ИКС (оптических деталей, оправ, диа-
фрагм и др.).
5.4. РАСЧЕТ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ
ШУМУ РАЗНОСТИ ТЕМПЕРАТУР
В §4.2 было дано определение одного из важнейших показателей качества ИКС -
эквивалентной шуму разности температур АТП, которая определяется для отношения
сигнал-шум на выходе приемника, равного единице. Обычно АТП определяется для ус-
ловий работы ИКС по протяженным излучателям - объекту и фону, принимаемым за
черные тела с близкими температурами Гоб и 7ф. Если АТ = Тоб - 7ф = АТП и принять, что
при определении АТП уровень шума ош должен быть равен приращению сигнала
АГ = Ео^ф - Рф (см. (5.26)), то из (5.30) с учетом того, что Авх = л;£>2/4, АОэ = ЛиА
К =f'!D для Тоб » 7ф, легко получить
АТ, =-------------------------------
(532)
Для систем с выборкой отдельных значений сигналов, например, для ИКС с МПИ,
осуществляющими пространственную выборку изображения, эквивалентная полоса
пропускания шумов
АГэ=1/(2гн),
где /н - время накопления (интегрирования) сигнала, снимаемого с элемента МПИ.
86 Глава 5. Энергетические расчеты инфракрасных систем
Обычно рабочий спектр ИКС ограничен конечными границами Xj...X2, в пределах ко-
торых коэффициент пропускания оптической системы часто принимается постоянным
и равным т0. Иногда в пределах ХЬ..Х2 можно также считать постоянными (средними
интегральными) значения тс(Х) и О*(Х).
Если выбрать температуру фона равной 300 К, что используется при аттестации
многих ИКС и их сравнительной оценке, то полезными для практики оказываются зна-
r dLCk) „
чения интегралов ———«Л, вычисленные в соответствии с законом Планка для чер-
i dT
ного тела с этой температурой и ламбертовским характером его излучения. Для диапа-
зонов 8...14, 8. ..12 и 3...5 мкм, часто используемых для сравнения по критерию темпе-
ратурного разрешения, т.е. по А7’пр, эти значения соответственно равны: 0,83-10 4;
0,63-104 и 0,67-10-5 Вт/(см2-ср-К). Они позволяют достаточно просто оценить ЛД1р для
указанных спектральных диапазонов.
Вычисляя или определяя по специальным таблицам [51, 151 и др.] интегралы приве-
денного вида для любых заданных или выбранных диапазонов Xi...X2, можно легко
найти значения А7П или построить зависимости этого показателя качества от парамет-
ров ИКС, входящих в формулу (5.32) и ей подобных.
Выражение (5.32) можно преобразовать с учетом энергетической модели конкрет-
ной ИКС. Так, для модели на рис. 5.2 вместо производной dLJ}C)/dT следует использо-
вать выражения (5.6) и (5.7) с учетом того, что тс(Х) входит в эти выражения.
Если необходимо учитывать изменения функций £е об(Х), Те Ф(Х), тс(Х), D (Л,), проис-
ходящие при изменениях температур Гоб и 7ф или разности АТ = Гоб - Тф, то в формулах
вида (5.32) [40] может оказаться полезным переход к средним в спектральном диапазо-
не АХ работы ИКС (эффективным, кажущимся) значениям этих функций.
Следует помнить, что МПИ, используемым в ИКС «смотрящего» типа, помимо шу-
мов, влияющих на работу одноэлементных приемников, свойствен так называемый
геометрический шум, вызванный неоднородностью параметров и характеристик от-
дельных чувствительных элементов МПИ, а также шумы схем считывания сигналов с
этих элементов и ряд других (см. [26, 61, 151], а также §7.3). Часто ограничиваются
учетом следующих составляющих ДГп фотоприемного устройства или всей ИКС:
- АТПр, обусловленной радиационным шумом и определяющей теоретически дости-
жимое минимальное значение АТП;
- А7п,, обусловленной тепловым шумом Джонсона и I//1 шумом;
- АГПг, обусловленной геометрическим шумом.
Для различных типов ФПУ на базе МПИ могут преобладать различные шумы и по-
этому следует принимать во внимание только те составляющие АТП, которые соответ-
ствуют этим шумам. Приведем в качестве примеров некоторые формулы, рекомендуе-
мые рядом источников для расчета составляющих А7’п.
При преобладании флуктуационных шумов, т.е. шумов приемника излучения,
учитываемых при его паспортизации - определении D , при ц = 1 можно записать
5.4. Расчет эквивалентной шуму разности температур
87
_Ени_
ДК/ДГ
ДД
! dT
(5.33)
Если преобладают флуктуации потока фотонов (фотонный или радиационный шум),
обусловленные случайным характером теплообмена МПИ с фоном, наблюдаемым этим
элементом, то значение D будет определяться этим видом шума. При этом дисперсия
радиационного шума [26]
<Р = + О>
где епи и Тт - коэффициент поглощения (излучения) и температура чувствительного
слоя элемента приемника; к - постоянная Больцмана; о — постоянная закона Стефана-
Больцмана; Лпи - площадь чувствительного слоя элемента; Д£ = 1/(2тт) - полоса пропус-
кания частот, определяемая тепловой постоянной времени тт пиксела ФПУ; и 7ф - ко-
эффициент излучения и температура фона.
Предполагая, что ьтф = 1 и 7ПИ = 7ф, и рассматривая (без учета спектральных соот-
ношений и пропускания среды) отношение приращения сигнала к радиационному
шуму, некоторые авторы рекомендуют для расчета ДТ^р пользоваться следующим вы-
ражением:
(l + 4£2)(16E„fc7-X^
^.(dLJdT)
(5.34)
где К - диафрагменное число объектива системы.
Значение D*, определяемое флуктуациями температуры приемника, можно рассчи-
тать по формуле [184]
(ъ2А V2
пи пи
где G — теплопроводность материала чувствительного слоя приемника по отношению к
окружающей его среде. Этому случаю соответствует
___________2(1 + 4Уг)Т„,(М/'С)Х_________
=„4. ft. (ад. (X) ([ ДФ€> (X) - ДФФ (ад/ ДТ) Л
ДА
При расчете и анализе ИКС «смотрящего» типа сигналы и шумы часто представля-
ются в квантовой форме, т.е. выражаются через скорости прихода квантов излучения.
При этом
88
Глава 5. Энергетические расчеты инфракрасных систем
_________(1 + 4^2Ч _______
г dL Ск)
МЛ
(5.35)
где Од и 5д(Х) - среднее квадратическое значение шума и чувствительность приемника, вы-
раженные через число квантов излучения, приходящих на приемник в единицу времени.
Учитывая статистически независимый характер отдельных составляющих шума (ра-
диационного, теплового и избыточного), иногда дисперсию числа шумовых электронов,
Рис. 5.4. Зависимость ДГП от удельной обнаружительной
способности D для двух значений остаточной (после
коррекции) неоднородности Ск (к = 10 мкм, Тф = 300 К,
размеры пиксела 50x50 мкм, К= 2, FK = 60 Гц)
приходящихся на один элемент ФПУ
с МПИ, определяют как [136]
_2 Л-2 > —2 > Г'
(У = О + (У + О (У ,
inq aqt ш^р к шдо ’
где Оцщ/ и Оцед, - средние квадратиче-
ские числа шумовых электронов,
обусловленные временным и радиа-
ционным фоновым шумом (флук-
туациями излучения фона) соответ-
ственно; Ск - разброс (неоднород-
ность) чувствительностей отдельных
элементов ФПУ. Обычно Ск опреде-
ляется как остаточное после коррек-
ции неоднородностей значение раз-
броса. Для этого случая
где Тф - температура наблюдаемого
МПИ фона.
Используя достаточно хорошее приближение (da^/dT*) = hc^^Jkk^T^ , где h -
постоянная Планка; с0 - скорость распространения электромагнитного излучения; к -
постоянная Больцмана; Хср — средняя для ограниченного спектрального диапазона
длина волны излучения, для случая преобладания геометрического шума можно по-
лучить
&Т=СкТЧ\М-
пг к ср ф / ’
Здесь СК измеряется в относительных величинах, Хср - в микрометрах, а Тф - в кельвинах.
Например, для Ск = 0,001 (0,1%), Хср = 10 мкм и Тф = 300 К значение А7ПГ составит 63 мК.
На рис. 5.4 приведены зависимости А7П от D для двух значений Ск (рассчитанные
Б. Левиным [136]). Важно отметить, что если D* > 1010Вт-,-смТц|/2, то предел темпера-
турного разрешения кТп определяется главным образом влиянием неоднородностей,
т.е. геометрическим шумом.
5.4. Расчет эквивалентной шуму разности температур 89
Рассмотрим, как определяется ЛГП — порог температурной чувствительности ИКС в том
случае, когда необходимо учитывать шум схемы считывания сигналов, а приходящий на
вход ИКС и на приемник излучения сигнал описывается в фотонной (квантовой) форме.
Если излучатель является черным телом с плотностью излучения Nq=Nq(k') (см. (2.8)),
изображение которого перекрывает всю чувствительную площадь одного элемента
МПИ, а приращение числа испускаемых им фотонов при малом изменении температу-
ры равно АЛ^, то сигнал, регистрируемый приемником, увеличится на
ЛГ- = 4^ F.fW.W'iW*.
где — время накопления зарядов на одном элементе приемника; Лпи — площадь чувстви-
тельного элемента; К - диафрагменное число объектива; тс(Х) - спектральное пропуска-
ние среды на пути от излучателя до ИКС; т0(Х) - спектральный коэффициент пропуска-
ния оптической системы ИКС; т]£/(Х.) - квантовая эффективность приемника излучения;
Xi.. .^2 - границы рабочего спектра ИКС.
Если за основные составляющие шума принять радиационный шум приемника и шум
схемы считывания сигнала с элемента МПИ, то
°" = -.ПТГ J4(Х)Т-(Z)T” WnOTdb+ЛС,
V
где температура фона принята близкой к температуре наблюдаемого объекта, т.е. число
фотонов Nqx принято одинаковым для объекта и фона; Ncc - среднее квадратическое
значение шума элемента схемы считывания, электрон/с.
Пользуясь этими формулами, легко найти выражение для эквивалентной шуму раз-
ности температур А7П (при разности температур объекта и фона А 7 = 1 К):
2К I рИ, (Х)т. (Х)то (Х)Л(1)<Л. + У’. 4№/(«.Д.)
М.------Lb-------ц--------------------------.
|ДЛ/,(ХХ(Х)ТО(Х)11(Х)<Л
которое справедливо для любых значений tu. Если максимальное число электронов
определяется накопительной емкостью ячейки схемы считывания и равно Nx, то
время накопления ?н ограничивается промежутком, за которое в ячейке накаплива-
ется ЛГЯ, т.е.
N4K2
------ч-------------------
ат л. jAw,(XK(XK(X)ii(X)<a
К,
(5.36)
90
Глава 5. Энергетические расчеты инфракрасных систем
а радиационный (фотонный) шум, определяемый как JN* , ограничивает величину
ДТп значением
рИ9(Х)то(Х)Л(Х)^
(537)
ТдГ Гди9 (Х)те (Х)то (Х)л(Х)Л
Если обозначить через Кд отношение приращения чисел фотонов, падающих на чув-
ствительный слой приемника при облучении его только фоном или объектом и фоном
одновременно («фотонный контраст»), то для разности температур объекта и фона в
1 К [239]
Если в ИКС применяется охлаждаемая диафрагма (см. гл. 6), диафрагменное число
которой Ход не совпадает с диафрагменное числом объектива К, то в числитель (5.34) и
в знаменатель (5.35) следует ввести коэффициент [239]
Глава 6
ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ИКС
«СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
6.1. ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ,
ИХ ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
Как и в любой оптико-электронной системе (ОЭС), оптическая система ИКС «смот-
рящего» типа предназначена для решения следующих основных задач:
- обеспечение заданного (требуемого) уровня сигнала в виде потока или облученно-
сти на приемнике излучения;
- образование изображения требуемого качества;
- выделение полезного сигнала (от наблюдаемого или обнаруживаемого объекта) на
фоне внешних и внутренних помех и шумов, т.е. получение требуемого отношения
сигнал-помеха (сигнал-фон, сигнал-шум).
Все эти задачи тесно связаны. Эффективность их решения во многом определяется
достигнутым в системе разрешением (энергетическим или температурным, геометро-
оптическим или пространственно-частотным, спектральным, динамическим или вре-
менным).
К основным параметрам и характеристикам оптических систем, которые важны для
оценки возможности решать перечисленные задачи, относятся [40, 60, 61 и др.]:
- спектральный рабочий диапазон (диапазон пропускания отдельных компонентов и
оптической системы в целом), спектральный и интегральный коэффициенты пропускания;
- геометрооптические параметры, а именно: угловое поле (иногда оно определяется
размером наблюдаемого объекта и расстоянием до него); диаметр входного зрачка D и
фокусное расстояние f, определяющие относительное отверстие D/f и диафрагменное
число К = f'ID\ задний фокальный отрезок; коэффициент диафрагмирования (для опти-
ческих систем с перекрытием части площади входного зрачка деталями и компонента-
ми системы);
- оценки качества изображения, к которым относятся функция рассеяния, описы-
вающая распределение освещенности в изображении точечного объекта; разрешающая
способность по критерию Рэлея (предел разрешения дифракционных изображений двух
точечных источников) или по числу Штреля (отношению максимума освещенности в
аберрационном изображении точки к освещенности в центре ее безаберрационного
92
Глава 6. Оптические системы ИКС
изображения); оптическая передаточная функция, являющаяся преобразованием Фурье
функции рассеяния (ее модуль часто называют функцией передачи модуляции или час-
тотно-контрастной характеристикой); отклонение от идеального волнового фронта
(ошибки волнового фронта) на выходе системы; размер кружка рассеяния, содержаще-
го заданное количество энергии, собираемое на чувствительную площадку приемника
излучения, т.е. доля всего потока, образующего изображение удаленного точечного
излучателя, которая попадает на приемник; допустимая дисторсия изображения объек-
та конечных размеров; изменение освещенности по плоскости изображения, оценивае-
мое часто коэффициентом виньетирования;
- массогабаритные параметры оптической системы, учитывающие массы и габари-
ты оптический деталей и корпусов, оправ, бленд и других элементов конструкции;
- условия надлежащего функционирования оптической системы (температурный
рабочий диапазон, допустимые градиенты температур, давление и влажность окру-
жающей систему среды, радиационный уровень, устойчивость к лазерному воздейст-
вию и ряд других).
Многие из перечисленных параметров и характеристик тесно связаны друг с другом.
Например, увеличение диаметра входного зрачка ведет к повышению дифракционной
разрешающей способности, а увеличение длины волны излучения, строящего изображе-
ние, ухудшает это разрешение. Подобные примеры уже приводились. То же можно ска-
зать о тесной связи параметров оптической системы и приемника излучения (см. гл. 7).
Интересно отметить, что совершенствование неохлаждаемых многоэлементных
приемников излучения (МПИ) и технологии их изготовления стало приводить к тому,
что наиболее существенной составляющей в структуре цены на ИКС с такими МПИ с
конца 90-х годов часто является стоимость оптической системы.
Структура обобщенной оптической схемы ОЭС, равно как и многочисленных сис-
тем конкретного назначения, подробно рассматривалась в литературе [51,61 и др.].
Хотя перспективы и тенденции дальнейшего развития ИКС связаны прежде всего с
совершенствованием и более широким использованием многоэлементных матричных
приемников излучения, т.е. с переходом ИКС к «смотрящему» режиму работы, оптиче-
ские и оптико-механические сканирующие системы, использующие линейки чувстви-
тельных элементов приемника излучения (одно-, двух-, четырехрядные), и до настоя-
щего времени широко применяются на практике [34, 37,40, 51 и др.].
Специфическими особенностями оптических систем многих ИКС «смотрящего» ти-
па являются:
- совмещение функций анализатора инфракрасного изображения и приемника излу-
чения в одном звене - в многоэлементном матричном фотоприемнике;
- отсутствие сканирующей системы и ряда других звеньев;
- необходимость получения достаточно равномерной освещенности и однородного
качества изображения по всему угловому полю ИКС, что особенно важно для ИКС
«смотрящего» типа, в которых используются МПИ большого формата;
— необходимость учета ряда факторов, не оказывающих заметного влияния на рабо-
ту систем в видимом и ближнем ИК-диапазоне, например теплового фона, создаваемо-
6.1. Особенности оптических схем ИКС, их параметры и характеристики 93
го элементами конструкции оптической системы и приемника, нагрева компонентов
оптической системы, эффекта Нарцисса, что приводит к использованию в таких систе-
мах дополнительных компонентов, например охлаждаемых диафрагм, устройств ком-
пенсации термоаберраций и др.;
- больший, чем в видимом диапазоне спектра, дифракционный предел разрешения
Дсод, определяемый известным соотношением Дсод~Л./£), или в линейной мере для фо-
кальной плоскости системы /Д~Х/'ID, где X - длина волны излучения, D - диаметр
входного зрачка,/' - фокусное расстояние объектива, строящего изображение;
- увеличенная глубина резкости или увеличенный допуск на расфокусировку из-за
больших значений длин волн по сравнению с визуальными оптическими системами, в со-
четании с ужесточением (уменьшением) этого допуска при использовании объективов с
малыми диафрагменными числами для получения высокого температурного разрешения;
- ограниченный выбор оптических материалов, используемых для изготовления
линз, пластин, призм, пропускающих излучение в длинноволновом ИК-диапазоне и
обладающих малой дисперсией; дороговизна этих материалов, а иногда невозможность
получения достаточно больших заготовок из них; зачастую малое пропускание таких
материалов;
- повышенная чувствительность к изменению температуры оптических деталей и
компонентов, поскольку для большинства оптических материалов, прозрачных в ИК-
области спектра, изменение показателя преломления с температурой (dn/dT) гораздо
больше, чем у обычных оптических стекол; это приводит к необходимости широко ис-
пользовать атермапизацию в линзовых оптических ИК-системах.
Освоение ряда новых принципов работы ИКС и комплексов, в состав которых они
входят, также обусловило некоторые специфические особенности их оптических схем.
К числу таких принципов, в первую очередь, необходимо отнести работу с переменным
угловым полем или увеличением оптической системы (причем изменение поля или
увеличение системы может происходить плавно или дискретно), а также образование
изображения в двух или более спектральных диапазонах с помощью одной и той же
оптической системы.
Поясним более подробно некоторые из перечисленных факторов.
С ростом числа элементов МПИ, применяемых в ИКС «смотрящего» типа, и их
формата, т.е. общего размера чувствительной площадки приемника, повышаются тре-
бования к однородности освещенности, создаваемой объективом в плоскости изобра-
жения — плоскости чувствительного слоя МПИ. Для этого часто приходится обеспечи-
вать ход главных лучей, близкий к телецентрическому.
Распределение освещенности в плоскости изображения — в фокальной плоскости
объектива в случае удаленного протяженного объекта - обычно пропорционально
cos4 со, где со — угол падения лучей на входной зрачок. На распределение освещенности
протяженного объекта влияет также дисторсия объектива. Для точечного излучателя
освещенность изменяется по закону cos со, и так же изменяется сигнал на чувствитель-
ном элементе приемника, полностью перекрывающем кружок рассеяния - изображение
точечного объекта.
94
Глава 6. Оптические системы ИКС
В широкопольных системах с угловым полем более 45° освещенность на краю поля
может уменьшаться до 25% и менее освещенности на оси, что может заметно искажать
или вообще скрывать изменение освещенности по полю изображений. Во избежание
этого используют предложенный М.М. Русиновым метод аберрационного виньетиро-
вания, позволяющий сделать падение освещенности пропорциональным не cos4©, а
cos2©. При этом часто могут быть увеличены фокусное расстояние и диаметр входного
зрачка объектива. В достаточно сложных оптических системах диаметр входного зрач-
ка для внеосевых пучков превышает этот диаметр для осевых пучков на 40% и более,
что компенсирует падение освещенности для изображений, создаваемых внеосевыми
пучками.
Во многих ИКС, строящих изображение, необходимо учитывать все эти факторы.
Применяемое иногда выравнивание освещенности с помощью фильтров переменной
плотности ведет к снижению уровня сигнала в центре поля (на оптической оси системы
и вблизи от нее). Лучший эффект обеспе-
чивают калибровка всей системы и соот-
ветствующая коррекция чувствительности
отдельных элементов МПИ в электронном
тракте.
Чтобы предотвратить попадание на
приемник собственного или рассеянного
излучения оптических деталей, их оправ
или других элементов конструкции и тем
самым не снизить контраст наблюдаемого
изображения и чувствительность ИКС, в
оптическую схему системы вводят охлаж-
даемую диафрагму (рис. 6.1). Эта диа-
фрагма может играть роль апертурной,
т.е. не допускать попадания на приемник постороннего излучения вне пределов заднего
апертурного угла. В этом случае эффективность охлаждаемой диафрагмы составляет
100% [220]. Иногда необходимо учитывать изменение поступающего на МПИ сигнала,
которое может иметь место из-за виньетирования при несовпадении выходного зрачка
системы и охлаждаемой диафрагмы. Если охлаждаемая диафрагма перекрывает лишь
часть излучения «вредного внутреннего» теплового фона, то ее эффективность опреде-
ляется как отношение телесного угла наблюдаемого пространства к телесному апер-
турному углу диафрагмы.
Чтобы минимизировать диаметр первого компонента объектива, рядом с ним следу-
ет располагать входной зрачок системы. Это условие можно выполнить в схеме с кон-
денсором (рис. 6.2, где объектив и конденсор (линза Рэлея) условно показаны в виде
одиночных линз). Формулы для габаритного расчета компонентов такой схемы приве-
дены в [61].
В ИКС с охлаждаемыми МПИ может возникнуть эффект Нарцисса - одновременное
отражение от поверхностей оптических деталей излучения холодных элементов прием-
Апертурная Охлаждаемый
диафрагма объем
Чувствительный
слой МПИ
Рис. 6.1. Оптическая система с охлаждаемой
диафрагмой [220]
6.1. Особенности оптических схем ИКС, их параметры и характеристики
95
ника и его охлаждаемой диафраг-
мы и более теплых элементов
конструкции [34, 247]. В резуль-
тате в плоскости чувствительного
слоя МПИ появляются неодно-
родности распределения облучен-
ности, в частности менее яркая
(холодная) зона, соответствующая
отражению «самой на себя» ох-
лажденной поверхности приемни-
ка. Влияние эффекта Нарцисса
особенно велико, если лучи пада-
ют на отражающую оптическую
поверхность (даже просветленную) под малыми углами. Если температурный контраст
между окружающей средой и охлаждаемым приемником велик, то этот эффект весьма
заметен. Для приближенной оценки влияния эффекта Нарцисса можно воспользоваться
следующей формулой [106]:
Промежуточное
изображение
Входной
зрачок
Объектив
Конденсор
Рис. 6.2. Схема оптической ИКС «смотрящего» типа с
расположением апертурной диафрагмы вблизи
многоэлементного приемника излучения
---Приемник
излучения
Апертурная
диафрагма
ДГн = ДЩД),
где Д7н - кажущееся изменение температуры изображения из-за эффекта Нарцисса; Д71 -
разность температур наблюдаемой сцены (окружающей среды) и приемника; р - коэф-
фициент отражения поверхности, вызывающей эффект Нарцисса; Лн - площадь пятна,
возникающего из-за этого эффекта; АИ - площадь изображения.
Если принять температуру окружающей среды равной 300 К, а температуру охлаж-
даемого приемника -77 К, т.е. Д7= 223 К, р = 0,015 и ^НМИ « 1,7 [106], то получим
Д7Н « 0,37 К. Это значение превышает температурное разрешение большинства со-
временных ИКС, характеризуемое ДТп<0,1К, поэтому при разработке конструкции
оптической системы ИКС борьба с эффектом Нарцисса становится обязательной.
В ИКС «смотрящего» типа для устранения эффекта Нарцисса можно применять
расфокусировку излучения, отражаемого от последней перед приемником оптической
поверхности, а также уменьшать эффективную излучающую площадь холодной по-
верхности с помощью тепловых экранов либо отражение поверхностей оптических
деталей по направлению к МПИ путем их просветления и выбора надлежащей фор-
мы. В частности, не рекомендуется применять вогнутые задние поверхности линз, а
плоские окна и пластины, находящиеся перед приемником, наклонять [34]. Однако и
эти способы могут оказаться недостаточно эффективными, если в процессе работы
ИКС фокусное расстояние и угловое поле объектива плавно или скачком меняются. В
ИКС «смотрящего» типа можно также предусматривать коррекцию влияния этого
эффекта путем калибровки - изменения чувствительности отдельных элементов МПИ
[247]. При этом наиболее эффективна оказалась внешняя калибровка по входному
зрачку системы, которая компенсирует эффект Нарцисса, возникающий из-за отраже-
ния на всех компонентах оптической схемы. В ряде случаев достаточно действенна и
96
Глава 6. Оптические системы ИКС
внутренняя калибровка по вводимому в угловое поле равномерно нагретому протя-
женному излучателю, но, строго говоря, лишь по отношению к компонентам, нахо-
дящимся между этим излучателем и охлаждаемой диафрагмой приемника. В [247]
рекомендуется проводить калибровку и учитывать расчетным путем эффект Нарцисса
всякий раз, когда меняются фокусное расстояние, угловое поле и температура эле-
ментов конструкции.
Не менее важно и то, что в ИКС «смотрящего» типа постоянный излучающий фон
требует очень большой коррекции неоднородности чувствительности отдельных эле-
ментов МПИ, а также снижения времени накопления зарядов в ячейках ФПУ во избе-
жание перенасыщения схем считывания сигналов с чувствительных элементов прием-
ника. В результате уменьшается чувствительность всей системы. Поэтому во многих
ИКС неоднородность чувствительности МПИ приходится корректировать в реальном
масштабе времени.
Применяя иммерсионную конструкцию МПИ, в которой чувствительный слой при-
емника излучения помещается непосредственно на задней поверхности последнего
компонента оптической схемы, можно заметно увеличить коэффициент заполнения
МПИ и тем самым его чувствительность. Это проще всего обеспечить в тех МПИ, у
которых размеры чувствительных элементов и промежутков между ними одинаковы по
ортогональным осям х и у.
Материалы линзовых и других компонентов многих оптических систем, работаю-
щих в ИК-области спектра, обычно имеют высокие показатели преломления
(и = 2,5...4,0). Это приводит к заметному увеличению потерь на отражение на границах
раздела воздуха и материала оптической детали. (Напомним, что для непросветленной
поверхности при нормальном падении лучей на нее спектральный коэффициент отра-
жения рх может быть рассчитан по формуле Френеля рх = [(«х - 1 )/(«x + I)]2» где пу. -
показатель преломления на длине волны X.)
Для сравнительно широкого спектрального рабочего диапазона, например 8... 14 мкм,
даже при наличии многослойного просветления потери на отражение могут быть весь-
ма велики.
Большое значение «х позволяет использовать в оптических ИКС линзы с большей
оптической силой, нежели в визуальных системах, и тем самым сократить их число для
достижения одинакового качества изображения. В то же время в таких системах по-
грешности изготовления поверхностей оптических деталей и сборки сказываются го-
раздо заметнее.
Увеличение коэффициента пропускания особенно важно для оптических систем, ра-
ботающих в длинноволновом оптическом диапазоне, например в окне прозрачности
атмосферы 8... 14 мкм, поскольку контрасты между низкотемпературными объектами и
фонами здесь малы, а коэффициенты пропускания многих оптических материалов
сравнительно невелики. Для повышения коэффициента пропускания всей системы же-
лательно уменьшать число ее компонентов. При этом для коррекции монохроматиче-
ских аберраций часто используют асферические поверхности, а для коррекции хрома-
тизма-дифракционные оптические элементы (см. §6.5).
_____________б-1 Особенности оптических схем ИКС, их параметры и характеристики 97
Оптические фильтры - важные элементы оптических систем практически всех ИКС -
служат для выделения рабочего диапазона, спектральной селекции определенных объек-
тов, предотвращения «перегрузок» (чрезмерных засветок) приемника излучения. [51, 61 и
др.]. Обычно это высококачественные по многим показателям интерференционные
фильтры, которые наилучшим образом работают в параллельных оптической оси пучках
f61, 151 и др.]. При увеличении угла падения лучей на фильтр его спектральная характе-
ристика изменяется (расширяется, сдвигается по шкале длин волн). Об этом не следует
забывать, поскольку обеспечить параллельный ход лучей в большинстве оптических сис-
тем ИКС не удается из-за желаний упростить оптическую систему, иметь значительные
апертуры, не допускать ухудшения пропускания при усложнении оптической схемы.
Можно также напомнить, что при изменении температуры спектральная характеристика
интерференционного фильтра становится нестабильной. Поэтому в ряде случаев его тем-
пературу, как и температуру приемника и расположенной перед ним диафрагмы, прихо-
дится стабилизировать или включать фильтр в состав охлаждаемого блока.
Специфика работы некоторых ИКС, например нашлемных или наголовных систем
визуализации и отображения информации (см. §11.3), требует защиты от посторонних
засветок, в частности от общего освещения в кабине пилота или водителя, от свечения
приборных панелей и т.п. Как правило, для этого используют разнесение рабочих спек-
тральных диапазонов ИКС и других источников излучения с помощью специальных
оптических фильтров, иногда называемых «дружественными» или «совместимыми».
Большинство оптических материалов, прозрачных в ИК-диапазоне спектрА, имеют
значительные температурные коэффициенты показателей преломления Q=dn/dT. По-
этому для рассматриваемых оптических систем особенно важно обеспечить стабиль-
ность их геометрооптических параметров.
Расфокусировку одиночной линзы при изменении температуры на ДГ можно при-
ближенно вычислить по формуле
дГ = _^[Р/(„_1)_а]ДТ,
где f' - фокусное расстояние; п - показатель преломления; а - коэффициент линейного
теплового расширения материала линзы.
Влияние изменений температуры на геометрооптические параметры, и прежде всего
на фокусное расстояние объектива, можно ослабить или исключить различными путя-
ми. Наиболее предпочтительны методы подбора материалов оптических деталей с раз-
личными р и компонентов с разным знаком изменения фокусного расстояния при из-
менении их температуры (атермализация). Обычно в распоряжении разработчика опти-
ческой системы ИКС имеется ограниченная номенклатура материалов, и поэтому вы-
бор материала и оптической схемы, обеспечивающих одновременно атермализацию и
ахроматизацию, - первоочередная задача. В [61, 229, 236] описывается графоаналити-
ческий метод такого выбора.
Наряду с чисто оптическими методами атермализации часто приходится использо-
вать механические (электромеханические) методы - перемещение отдельных компо-
нентов оптической системы в процессе ее работы.
4 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
98
Глава 6. Оптические системы ИКС
Если принять, что в фокальной плоскости объектива, строящего изображение уда-
ленного объекта, разрешение на длине волны X определяется по критерию Рэлея [51,
151], то допустимая расфокусировка изображения А/’ будет соответствовать допуску
на отклонение реального волнового фронта от идеального Ди/, не превышающему ± Х/4
(рис. 6.3). При заднем апертурном угле а’ или диафрагменном числе объектива К эта
расфокусировка может достигать значения
Д/7 = ± Х/(2и sine') = ± 2Л. X2.
Отсюда ясно, что в ИКС, где рабочие длины волн гораздо больше, чем в визуальных
системах, глубина изображаемого пространства гораздо больше. Однако следует пом-
нить, что для достижения высокой температурной разрешающей способности ДТП целе-
Рис. 6.3. Диаграмма, позволяющая определить
глубину резкости изображаемого пространства
сообразно выбирать оптическую систему
с малыми значениями К (см. §5.4). Учи-
тывая квадратичную зависимость Л/' от
К, именно этот фактор может стать ре-
шающим при определении допуска на
расфокусировку.
Можно отметить особенности объек-
тивов охранных и сигнальных ИКС. Для
защиты таких систем входной зрачок их
объективов должен быть вынесен далеко
вперед первой линзы. Подобные объек-
тивы с вынесенной апертурной диафрагмой [43] производят многие фирмы в Японии
(«Canon», «Computar», «Cosmicar», «Fujinon», «Panasonic», «Rainlow», «Seiko», «Ya-
mamo»), Германии, США, России («Leptonar»). Они имеют небольшие размеры вход-
ных зрачков (обычно от 2 до 36 мм), диафрагменные числа порядка 1,0...3,0, угловые
поля в несколько десятков градусов (до 85°).
Важной особенностью ИКС, применяемых в оптико-электронных следящих систе-
мах типа головок самонаведения, является наличие у них обтекателя. Такие обтекатели,
представляющие собой чаще всего мениски с концентрическими сферическими по-
верхностями, обеспечивают требуемые аэродинамические формы конструкции и ее за-
щиту от внешних воздействий. При движении следящей системы с большой скоростью
в воздушной среде происходит нагрев обтекателя. Так, обтекатель, имеющий при пуске
ракеты класса «воздух - воздух» со скоростью 1Мтемпературу порядка 330 К, через 8 с
полета и достижении скорости ЗМ нагревается до 500 К [212]. Даже при выборе мате-
риала обтекателя с хорошим коэффициентом пропускания в рабочем спектральном ИК-
диапазоне, например 3...5 мкм, и специальных мерах отвода тепла от обтекателя его
собственное излучение при нагреве становится столь значительным, что поток излуче-
ния от него, попадающий на приемник, может превысить поток от внешних фонов и
даже от отслеживаемой цели.
Указанные факторы необходимо учитывать при выборе материала и формы обтекате-
ля, бленд, оптической схемы и конструкции объектива, а также конструкции приемника с
6.2. Оптические материалы для инфракрасной области спектра 99
охлаждаемой диафрагмой для уменьшения доли рассеянного и отраженного излучения,
попадающего на приемник.
Пример расчета сигналов и помех и отношения сигнал-шум, имеющих место в оп-
тической схеме следящей ИКС «смотрящего» типа, которая следит за воздушными це-
лями, а также формулы для расчета отражательной и излучательной способностей об-
текателя приведены в [212].
6.2. ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИК-ОБЛАСТИ СПЕКТРА
На выбор материалов оптических деталей ИКС влияет достаточно большое число
факторов. Помимо оптических свойств того или иного материала приходится учиты-
вать его эксплуатационные характеристики (физико-механические свойства, стойкость
к воздействию различных сред и др.), технологичность (обрабатываемость, возмож-
ность получения деталей нужных размеров и форм, обеспечение требуемого качества
поверхности и т.д.), стоимость.
Основными оптическими и другими физико-механическими параметрами и харак-
теристиками материалов, как известно, являются:
- спектральное пропускание или отражение;
- показатель преломления;
- дисперсия;
- изменение коэффициента пропускания и показателя преломления при изменении
температуры;
- плотность;
- твердость;
- теплопроводность;
- коэффициент термического расширения;
- теплоемкость;
- модуль упругости;
- температуры размягчения и плавления;
- стойкость к воздействию различных сред.
В табл. 6.1-6.4, составленных на основе анализа большого числа публикаций и ката-
логов промышленных фирм [51, 61, 69, 78, 106, 137, 151, 220 и др.], приводятся значе-
ния ряда важных параметров для распространенных на практике материалов.
Пользуясь данными, приведенными в табл. 6.1 и 6.2, можно вычислить число Аббе,
характеризующее дисперсию /-го материала:
-1
у — к‘*__,
где , п^( и nX}i - показатели преломления на средней (?ч) и граничных (Л,2 и Х3) дли-
нах волн рабочего спектрального диапазона. Учитывая заметную зависимость показателя
4*
100
Глава 6. Оптические системы ИКС
Физические свойства некоторых оптических материалов,
Параметры и характеристики Иртран-1, Итран-51, КО-1 Иртран-2, КО-2 Иртран-3, КО-3 Иртран-4, КО-4 Кремний
Химический состав MgF2 ZnS CaF2 ZnSe Si
Спектральный диапазон прозрачности на уровне пропускания 0,5 для образца толщиной 1 см 2,0...7,0 1,8...12,0 0,21...9,0 0,6... 16,0 1,5...11,0
Температурный коэффициент показателя преломления (dn/dT)-106 (для излучения с длиной волны X, мкм) +1,6 (X = 0,7065) +48 (X = 6,0) -16 (X = 0,54) +50 (Х = 5,0) +160
Т еплопроводность, Втм-1-Кч 14,6 15,5 7,96 12,9 —
Плотность, гем-3 3,18 4,098 3,18 5,27 2,33
Температура размягчения или плавления, °C 950... 1255 800... 1830 1200... 1360 700... 1500 1420
Коэффициент термического расширения ат -106, К-1 12,2 6,3...7,9 16,2... 19,4 6,23...9,25 1,44...2,33
Модуль упругости £-10-|0,Па 14,57 8,35...8,75 8,89... 10,54 7,31... 7,97 18,9
Прочность на изгиб, Па-105 1502 975 366 419
Твердость по Кнупу, Па-107 565 346 196 147 1127
Удельная теплоемкость, Дж-г'-К’1 1,0 0,49 0,8 0,38 0,88
Показатель преломления 1,3720... 1,2934 2,2065... 2,1629 1,4365... 1,3268 — 3,4368... 3,4155
Размеры заготовок, мм 20...320 20... 100 20...450 20... 100 20...400
преломления от длины волны, характерную для большинства материалов, дисперсию и
зависящий от нее хроматизм изображения необходимо рассчитывать раздельно для ка-
ждого из спектральных диапазонов, в которых работает ИКС. Часто изменение диспер-
сии не позволяет использовать один и тот же материал, например Ge, для изготовления
линз, работающих в многодиапазонных (многоспектральных) ИКС.
Следует отметить, что у многих оптических материалов (Ge, Si, ZnS, ZnSe) коэф-
фициент термического (теплового) расширения заметно возрастает при увеличении
6.2. Оптические материалы для инфракрасной области спектра
101
Таблица б. 1
прозрачных в ИК-области спектра
Германий КРС-5 Фторис- тый барий AMTIR-1 Иртран-6, КО-61, ПО-6 Фторис- тый литий ПО-4, CVD
Ge Т1:Вг:1 BaF2 Ge33AS|2Se55 CdTe LiF ZnSe
1,8... 17,0 0,53... 50,0 0,15...12,5 0,8... 14,0 1,5...26,0 0,12...6,5 0,55...18,0
+400 -117,5 (X = 10,6) -16 (X = 1,0)
— 0,51 7,12 — 4,19 14,2 —
5,33 7,37 4,83...4,89 4,4 5,85 2,6 —
958,5 414,5 1280 900... 1090 870
5,1...5,8 52,8 16,5... 19,2 12 5,9...7,9 28,1...37,0 6,4...7,6
15,56 3,13 6,63 — 7,76 14,22 7,76
— 328 144 —
— 39,6 80,5 — 44 97 —
0,31 — — — 0,28 1,63 —
4,1079... 4,0017 2,6276... 2,2162 1,5573... 1,3696 — 2,7394... 2,6771 1,3931... 1,1650 2,6645... 2,1629
20...420 40...450 20...450 — 60...200 20...40 20...500
температуры. Это часто приходится учитывать и обеспечивать соответствующую атер-
мализацию оптической системы [229].
Как правило, выбор материала оптических систем является серьезной технико-
экономической задачей. Поскольку наиболее распространенный и дешевый матери-
ал - обычное оптическое стекло разных марок — прозрачен лишь в ограниченном
спектральном диапазоне (приблизительно до 2 мкм), в большинстве ИКС приходит-
ся использовать гораздо более дорогостоящие и менее технологичные специальные
102
Глава 6. Оптические системы ИКС
стекла, кристаллы и различные соединения. Отметим вкратце особенности некото-
рых из них.
Общей особенностью этих материалов является их более высокая стоимость по срав-
нению с оптическим стеклом. Ряд материалов (Ge, CdTe, AMTIR-1, ZnSe, Si, ZnS, GaAs)
отличается высоким показателем преломления, а следовательно, и более высоким коэф-
фициентом отражения на поверхностях детали, что делает крайне желательным их про-
светление. Другие материалы (LiF, MgF2 и др.), напротив, имеют сравнительно малый
показатель преломления, а следовательно, достаточно хорошо пропускают ИК-
излучение. Поэтому часто детали, изготовленные из них, выполняют без просветления.
Одним из наиболее распространенных материалов оптических систем ИКС является
германий. Объективы, работающие в среднем (3...5 мкм) и особенно в длинноволновом
(8... 14 мкм) ИК-диапазонах, часто представляют собой совокупность линз, изготовлен-
ных из германия. В диапазоне 3...5 мкм Ge позволяет обеспечить хроматическую кор-
рекцию, т.е. линзы из Ge используются в паре с линзами, изготовленными из других
материалов.
Таблица 6.2
Параметры инфракрасных стекол
Марка Диапазон пропускания, мкм Показатель преломления п2 для X = 2 мкм Коэффициент дисперсии ^2,0 ~ 1 Коэффициент термического расширения аг-107,°С-’ Максимальная рабочая температура, °C
ni,i ~ n\,t
ИКС-23 0,8...9,0 2,4261 201 246 100
ИКС-24 0,8...11,0 2,4098 196 182 160
ИКС-25 1,5...1,7 2,8081 130 220 100
ИКС-27 1,5...16,0 2,6820 — 177 170
ИКС-28 1...12 2,7285 142 220 100
ИКС-29 1...15 2,6381 153 220 110
ИКС-30 1...11 2,5686 173 122 260
ИКС-31 1...15 2,6380 — 131 240
ИКС-32 1,5...15,0 3,0351 - 147 190
ИКС-33 7...16 2,673 для А,= 10 мкм — 225 100
Поскольку германий имеет большой показатель преломления и малую дисперсию, в
ряде случаев объективы из него не нужно ахроматизировать. При необходимости же
ахроматизации хорошие результаты дает совместное использование в объективе линз
из германия и халькогенидных соединений, например AMTIR-1.
Нужно учитывать, что с ростом температуры детали из Ge теряют прозрачность - в
два раза при нагреве до 1ОО...12О°С и почти полностью при 160...200°С [220]. Не-
сколько в меньшей степени, но тоже весьма заметно это свойственно деталям из Si
[106]. Большей стойкостью по отношению к изменению температуры обладает ZnSe,
хотя его пропускание хуже, чем у Ge.
6.2. Оптические материалы для инфракрасной области спектра 103
Материалы, имеющие широкий спектральный диапазон прозрачности, например
ZnSe, Ge, КРС-5, можно использовать для изготовления подложек светоделительных
элементов, часто применяемых в ИКС, работающих в двух или более спектральных
поддиапазонах.
С начала 90-х годов для производства оптических деталей ИКС стали использовать
прозрачные в диапазоне 0,6... 14 мкм композиционные материалы типа КО-4/КО-2
(ZnSe/ZnS) с коэффициентом поглощения на длине волны 10,6 мкм порядка 0,02 см-1.
Для повышения механической прочности деталей из поликристаллического селенида
цинка, получаемого химическим осаждением из газовой фазы, на их поверхность наносят
тонкий (0,5... 1 мм) слой сульфида цинка. Это повышает одновременно и влагостой-
кость таких деталей. В настоящее время освоено производство заготовок из композита
ZnSe-ZnS диаметром до 350...400 мм. Недостатком такого материала является его вы-
сокая стоимость.
Устойчивость характеристик к перепадам температуры одного из наиболее термо-
стойких материалов - GaP - в три раза больше, чем у ZnS, и в два раза больше, чем у
Ge. Как и композит ZnSe-ZnS, хорошими оптическими и эксплуатационными характе-
ристиками обладает комбинация GaP-GaAs. К настоящему времени освоено производ-
ство деталей из GaP-GaAs сравнительно небольших размеров - до 80 мм [220].
К числу других современных оптических материалов можно отнести SiC, из которо-
го методом вакуумного химического осаждения удается изготавливать крупногабарит-
ные оптические детали, прозрачные в ИК-диапазоне до 5...6 мкм и стойкие к термиче-
ским, механическим и другим внешним воздействиям. В ближайшем будущем можно
ожидать появления сверхпрочных оптических деталей (защитных стекол) из искусст-
венного алмаза толщиной в десятки и даже сотни микрометров.
Для изготовления крупногабаритных (до 300 мм в диаметре).обтекателей ракетных
систем и летательных аппаратов, стойких к температурам до 500...800°С, используется
ряд материалов, перечисленных в табл. 6.1-6.3. Из них для работы в длинноволновом
ИК-диапазоне (8... 14 мкм) пригодны практически лишь ZnS или ZnS-ZnSe.
Как известно, оптические детали из органических полимеров (пластмасс), в том
числе и с асферическими поверхностями, наиболее дешевы, имеют малую массу, лег-
ко изготавливаются методом литья под давлением. К сожалению, большинство из-
вестных пластмасс пропускает излучение в ограниченном спектральном диапазоне
(0,4... 1,1 мкм). Их оптические параметры изменяются от одной партии деталей к дру-
гой. Изделия из пластмасс не стойки к механическим воздействиям, не выдерживают
воздействия влаги и некоторых агрессивных сред, что заставляет применять специаль-
ные защитные покрытия, тем самым повышая их стоимость.
Трудности выращивания и механической обработки кристаллов больших размеров,
а также обеспечения однородности оптических свойств в заготовках диаметром более
нескольких сантиметров часто вынуждают переходить от линзовых оптических систем
к зеркальным. В качестве материалов для подложек зеркал, работающих в широком
диапазоне температур, используются пирекс, плавленый кварц, ситаллы, бериллий и
другие материалы, (см. табл. 6.3). Применение бериллия, отличающегося жесткостью и
104
Глава 6. Оптические системы ИКС
малой плотностью, позволяет заметно уменьшить массу зеркала. Из-за кристалличе-
ской структуры бериллия его поверхность плохо полируется, поэтому перед нанесени-
ем на подложку отражающего слоя на ее поверхность наносят промежуточный слой
никелевого сплава.
Таблица 6.3
Параметры некоторых материалов, используемых
для изготовления подложек зеркал
Материал Плотность, г-см Модуль упругости Е, ГПа Коэффициент температурного расширения (средний в интервале температур), ат107,К“| Коэффициент теплопроводности при 20°С, Вт м'*,-К-1 Удельная теплоемкость при 20°С, Дж-кГ'-К4
Ситалл СО-115М 2,44 102 2,5 (20...120°С) 1,05 755
Плавленный кварц КУ, КВ 2,2 74 5,5 (20...200°С) 1,38 742
Легированный плавленый кварц 2,21 69 0,4 (-200...+200°С) 1,30 760
Бериллий 1,86 300 130 (0...200°С) 155 1780
Алюминий 2,6 70 240 (20...200°С) 201 880
Инвар 8,0 145 12 10,9 419
Сталь 7,7 210 106 (О...1ОО°С) 46,1 502
Титан 4,5 118 81 (20...200°С) 15,5 471
Коэффициент отражения большинства металлов, определяемый как
_ (и -1)2 + а1
Р (и +1)2 + а1 ’
где п - показатель преломления, а а - показатель поглощения металла (см. табл. 6.4),
увеличивается с ростом длины волны излучения. Хорошей отражательной способно-
стью обладает алюминий, коэффициент отражения которого в ИК-области спектра дос-
тигает 95%. В качестве других отражающих покрытий применяют такие материалы,
как золото, палладий, родий, с коэффициентом отражения 95...98%.
Помимо металлизированных зеркал, в ИКС используют отражающие и светоделитель-
ные многослойные интерференционные покрытия, стоимость изготовления которых
выше, а эксплуатационные свойства (устойчивость к воздействиям внешних агрессивных
6.2. Оптические материалы для инфракрасной области спектра
105
Таблица 6.4
Показатели преломления п и поглощения а некоторых металлов
Материал Показатель Длина волны, мкм
1 2 4 10
Алюминий п 1,35 2,15 6,43 25,3
а 9,58 20,7 39,8 89,8
Бериллий п 3,28 2,44 2,38 8,3
а 3,87 7,61 16,7 41,0
Хром п 4,50 4,01 3,08 14,2
а 4,28 6,31 13,7 27,5
Медь п 0,33 0,85 2,41 11,6
а 6,60 10,6 21,5 49,1
Золото п 0,26 0,85 2,60 12,4
а 6,82 12,6 24,6 55,0
Молибден п 2,58 1,38 2,32 12,6
а 4,02 10,4 23,0 56,7
Никель п 2,81 3,78 4,15 6,83
а 5,00 8,17 14,6 37,0
Родий п 3,41 3,83 5,71 14,4
а 7,83 13,1 25,1 57,3
Серебро п 0,21 0,65 2,30 13,3
а 6,76 12,2 24,3 54,0
сред, стабильность характеристик) хуже, чем у металлических покрытий. Кроме того,
трудно нанести однородные по толщине интерференционные покрытия на детали (под-
ложки) больших диаметров - более нескольких сантиметров.
В качестве просветляющих покрытий можно использовать пленки пятиокиси нио-
бия, которые прозрачны (т > 90%) для излучения с длиной волны свыше 10 мкм. Пока-
затель преломления пятиокиси ниобия на длине волны X = 2,8 мкм п = 2,04, что позво-
ляет с помощью этого вещества, равно как и диоксида церия (для X = 2...4 мкм
т = 85%) и сернистого цинка (для X = 7...14 мкм т = 95%), просветлять германий. По-
следний применяется и для просветления кремния. Из других материалов просветляю-
щих покрытий следует отметить криолит (для X = 0,2... 10 мкм п = 1,34), фтористый
магний (для Х = 0,12...5 мкм п = 1,35), сернистый цинк (для Х = 0,4...15 мкм п = 2,15) и
оксид кремния (для X = 0,4...8 мкм п = 1,45... 1,90), обладающие высокой прочностью и
химической стойкостью, а также диоксиды титана и циркония.
В последние годы появились сообщения о создании эффективных противоотра-
жающих покрытий на основе полимеров. Так, фирма «Janos Technology» сообщает об
эффективных целлофановых противоотражающих пленках для оптических деталей из
Ge, AMTIR-1 и других материалов, работающих в диапазонах 3...5 и 8...12 мкм. Такие
106
Глава 6. Оптические системы ИКС
пленки выдерживают температурные воздействия от -62 до +71 °C в течение двух часов
(при каждой температуре), а также работоспособны в течение 24 ч при температуре
49°С и относительной влажности 95... 100%. Коэффициенты отражения поверхностей,
покрытых такими пленками, составляют обычно 1.. .3%.
6.3. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВЫБОР ТИПА
ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Выбор или создание оптимальной оптической схемы все еще остается искусством.
Для оптимизации выбранной схемы, чтобы удовлетворить критерию качества изобра-
жения при заданных граничных условиях, приходится одновременно решать много ли-
нейных уравнений (обычно от 10 до 100) относительно конструктивных параметров.
Для этого пригоден ряд компьютерных программ, однако и они требуют от пользовате-
ля хорошего знания существующих оптических схем и опыта их эксплуатации.
По традиции всю совокупность оптических систем, используемых в ОЭС, принято
делить на линзовые, зеркальные и смешанного (зеркально-линзового) типа.
Широко распространенные линзовые оптические системы хорошо освоены в произ-
водстве. Одиночные линзы в виде простых менисков из-за больших аберраций и малых
относительных отверстий (1:10... 1:15) используются лишь в простейших, дешевых
ИКС. Только в последнее десятилетие появилась возможность выполнить заднюю по-
верхность мениска в виде дифракционного элемента (см. §6.4) и тем самым откорреги-
ровать аберрации и атермализовать простейший однолинзовый объектив. Это открыва-
ет определенные перспективы перед такими системами. Их уже начинают использовать
Рис. 6.4. Простые двух- (а) и трехлинзовые (б, в)
ахроматические объективы
в недорогих инфракрасных приборах мас-
сового применения, в некоторых наголов-
ных ИКС и системах отображения.
Простые двухлинзовые объективы
(рис. 6.4,а) при относительном отверстии
порядка 1:3, угловом поле до 10° и диа-
метре входного зрачка до 120... 150 мм
обеспечивают требуемое для работы мно-
гих ИКС качество изображения, устраняя
первичную сферическую аберрацию и ко-
му, а при надлежащем подборе материалов линз и первичный хроматизм. В трехлинзо-
вых объективах (рис. 6.4,6, в) основные аберрации устраняются для относительных отвер-
стий 1:5,6... 1:3 при угловых полях порядка 55...40° соответственно. При увеличении
числа линз и компонентов объектива можно обеспечить достаточно высокое качество
изображения при гораздо больших относительных отверстиях и угловых полях. Известны
линзовые оптические системы, в которых для спектрального диапазона 8... 12 мкм размер
аберрационного кружка рассеяния близок к дифракционному пределу и достигает в угло-
вой мере несколько десятых долей миллирадиана.
6.3. Предварительный выбор типа оптической системы
107
Основным недостатком линзовых систем остается сравнительно невысокий коэф-
фициент пропускания, хотя появившиеся в последнее время новые оптические мате-
риалы (кристаллы, оптические керамики и др. [61, 106, 220 и др.]) позволяют заметно
уменьшить потери на поглощение и отражение на оптических поверхностях, особенно
при их просветлении.
В табл. 6.5 и 6.6 приведены параметры работающих в ИК-области спектра объекти-
вов. Объективы, перечисленные в табл. 6.5 [5], предназначены для совместной работы с
микроболометрическим МПИ форматом 320 х 240, общим размером 12,24 х 16,32 мм и
размером чувствительного слоя элемента 35 х 35 мкм. Размеры аберрационных круж-
ков в центре и на краю углового поля, приведенные в табл. 6.5, рассчитывались для
уровня 0,1...0,2 максимальной облученности в изображении. Эти объективы состоят из
двух тонких линз (положительных
менисков) с задним фокальным от-
резком не менее 33 мм. Для умень-
шения длины объектива и улучшения
качества изображения в объективах
использованы асферические поверх-
ности, изготавливаемые алмазным
точением. Поскольку число компо-
нентов у двух последних объектов
(табл. 6.5) мало (два), пропускание
объективов достаточно велико, а мас-
са и габариты меньше, чем у объек-
тивов, имеющих сферические по-
верхности.
В ГОИ им. С.И. Вавилова была
рассчитана гамма линзовых объекти-
вов ДЛЯ спектрального диапазона Рис. 6.5. Объективы фирмы «DIOP» для диапазона
8... 12 мкм с относительным отвер- 8... 12мкм сDtf, равным 1:1 (а), 1:0,8 (б)
стаем 1:1,4 и фокусными расстоя-
ниями 35, 38 и 220 мм для МПИ с размерами по диагонали 15 и 33,5 мм [220]. Помимо
сферических в них используются и асферические, и киноформные поверхности (см. §6.6).
Фирмой «DIOP» (США) было создано семейство линзовых объективов из германия,
имеющих относительные отверстия 1:0,8 и 1:1 и работающих в спектральном диапазо-
не 8... 12 мкм в составе ИКС с неохлаждаемыми приемниками типа микроболометров
[187]. Эти объективы с фокусными расстояниями от 13 до 200 мм обеспечивают хоро-
шее разрешение в линейном поле в плоскости изображения до 20 мм по диагонали. В
них также используются асферические поверхности. Для микроболометрических МПИ
тех же размеров объективы, построенные по схеме, представленной на рис. 6.5, и
имеющие относительное отверстие 1:0,8, обеспечивают то же разрешение при угловых
полях в 18° (фокусное расстояние 50 мм) и 4,6° (фокусное расстояние 200 мм). Объек-
тивы имеют компактную конструкцию с соотношением диаметра к длине порядка 1:1.
Параметры некоторых линзовых объективов, разработанных
Государственным институтом прикладной оптики (ГИПО)
Таблица 6.5
Материал линз Спектральный рабочий диапазон (максимум пропускания Х^), мкм Фокусное расстояние, мм Относительное отверстие Угловое поле, град. Размер кружка рассеяния на длине волны Х^ мм (центр/край углового поля) Число линз Коэффициент пропускания Наличие асферических поверхностей
Германий, ИКС-25 8...13 (10,6) 150 1:1,3 6 0,06/0,09 3 0,65 Нет
Германий, кремний 2...5 (4,3) 50 1:1 32,7 0,05/0,06 4 0,6 Нет
Г ерманий, ИКС-25 8...13 (10,6) 100 1:1,5 40 0,045/0,1...0,015 5 0,5 Нет
Германий, ИКС-25 8...13 (10,6) 100 1:0,75 10 0,07/0,1...0,15 4 0,6 Нет
Г ерманий 8...13 (10,6) 50 1:0,7 18 0,09/0,12...0,17 2 0,8 Есть
Г ерманий (телеобъектив) 8...13 (10,6) 265 1:2 4,8 0,06/0,08 2 0,8 Есть
Глава 6. Оптические системы ИКС
Объективы для длинноволнового ИК-диапазона (8... 14 мкм),
разработанные и выпускаемые ОАО ЦНИИ «Циклон»
Таблица 6.6
Марка L-22 L-45 L-50 L-75 L-1OO L-130 L-50 ZL-160 ZL-250 ZL-300
Материал линз Ge Ge Ge Ge Ge Ge Ge, ИКС Ge Ge Ge
Число линз / зеркал 4/- 3/- 4/- 3/- 3/- 3/- 3/- 3/2 3/2 3/2
Фокусное расстояние, мм 22,5 45,2 50 75 100 130 150 160 250 300
Относительное отверстие 1:1 1:1 1:1 1:1 1:1 1:1,3 1:1,3 1:1,3 1:1,3 1:1,3
Угловое поле, град. 30x40 15x20 14x18 9x12 7x9,4 5,4x7,2 4,7x6,2 4,4x5,9 2,8x3,7 2,3x3,1
Коэффициент передачи контраста на пространственной частоте 10 мм-1: в центре поля на краю поля 0,76 0,54 0,76 0,65 0,68 0,60 0,74 0,61 0,76 0,58 0,72 0,65 0,76 0,65 0,62 0,53 0,70 0,65 0,70 0,61
Коэффициент пропускания 0,7 0,76 0,7 0,76 0,76 0,76 0,76 0,71 0,71 0,71
Коэффициент центрального экранирования — — — — — 0,5 0,5 0,5
Коэффициент виньетирования 0,87 0,84 0,91 0,95 0,6 — 0,82 0,60 0,77 0,80
Длина, мм 44 70 90 115 153 145 210 110 165 200
Максимальный диаметр, мм 35 55 62 90 104 110 130 150 220 260
6.3. Предварительный выбор типа оптической системы_109
110
Глава 6. Оптические системы ИКС
Объектив, показанный на рис. 6.5,а, имеет диаметр входного зрачка 25 мм и угловое
поле 35,5°. Приемник, устанавливаемый за объективом, имеет 320 элементов по горизонта-
ли, расположенных с шагом 50 мкм. Габаритные размеры такого объектива с пластмассо-
вой оправой — порядка 50x63 мм, а масса — менее 52 г. Объектив обладает хорошим
пропусканием в области 8... 12 мкм (более $4%) и обеспечивает высокое качество изо-
бражения (на пространственной частоте 10 лин/мм спад частотной характеристики для
углового поля в 28° не превышает 0,4).
Гораздо большим пропусканием, причем в широком спектральном диапазоне, обла-
дают зеркальные системы, в которых также практически отсутствует хроматизм. Такие
системы более устойчивы к радиационным воздействиям, чем линзовые. В них гораздо
меньше источников мешающего рассеянного излучения - боковых помех, которые в
линзовых системах могут возникать из-за неоднородностей в материалах оптических
деталей (свилей и др.), а не только из-за рассеяния на оправах компонентов. Однако
меньшее, чем у линз, число параметров (радиусов кривизны поверхностей) не позволя-
ет из-за значительных полевых (внеосевых) аберраций достичь хорошего качества изо-
бражения в системах, состоящих из одной или двух-трех сферических отражающих
поверхностей, для тех же угловых полей и относительных отверстий, что имеют одно-
типные по сложности линзовые системы. Поэтому на практике часто используют асфе-
рические отражающие поверхности, например параболические, а еще чаще зеркально-
линзовые системы. Последние при достаточно высоком пропускании и хорошем каче-
стве изображения могут иметь большие относительные отверстия и значительные угло-
вые поля. В зеркально-линзовых объективах удается уменьшить продольные размеры
оптической системы.
Используемые в зеркально-линзовых системах положительные и отрицательные ме-
ниски благодаря небольшой толщине обладают достаточно хорошим пропусканием.
Они позволяют исправить сферическую аберрацию зеркал; кроме того, их можно сде-
лать ахроматичными. В ряде схем сферическая аберрация коррегируется специальными
пластинами, одна из поверхностей которых выполняется асферической (система
Шмидта). В зеркально-линзовых системах также часто используются асферические
зеркала. При необходимости получить изображение высокого качества в этих системах
вблизи фокальной плоскости объектива располагают линзовые элементы (корректоры).
Такая конструкция позволяет выполнить небольшой по диаметру корректор из мате-
риала, хорошо пропускающего излучение в ИК-диапазоне спектра (изготовление линз
большого диаметра из многих материалов, обладающих малым поглощением в этом
диапазоне, в настоящее время технологически невозможно).
В качестве примера на рис. 6.6 показаны распространенные на практике схемы
зеркальных и зеркально-линзовых объективов [51]. В зеркальных и зеркально-
линзовых системах с перекрытием части входного зрачка компонентами оптической
схемы, например контррефлекторами (см. рис. 6.6,а, б, г), необходимо учитывать связь
между диафрагменным числом системы К и максимальным обеспечиваемым при пере-
крытии угловым полем 2ю (рис. 6.7).
6.3. Предварительный выбор типа оптической системы
111
Рис. 6.6. Простые зеркальные и зеркально-линзовые системы:
а - система Грегори (1 - вторичное зеркало, 2 - главный фокус, 3 - главное зеркало, 4 - фокальная
точка); б - система Кассегрена (1 - затемнение, 2 - выпуклое вторичное зеркало, 3 - главное
зеркало, 4 - фокальная точка); в - объектив Манжена; г - система Максутова-Бауэрса (1 - передний
корректор, 2 - задний корректор, 3 - зеркало, 4 - контррефлектор, 5 - фокальная точка);
б - объектив Шмидта (1 - асферическая корректирующая пластина, 2 - сферический рефлектор,
3 - фокальная поверхность); е - скоррегированный концентрический объектив Максутова-Бауэрса-
Шмидта (1 — асферический корректор, 2 - диафрагма, 3 — менисковый корректор, 4 — фокальная
поверхность, 5 - зеркало)
112
Глава 6. Оптические системы ИКС
Рис. 6.7. Зависимость углового поля 2ю от
диафрагменного числа К при разных
коэффициентах перекрытия d/D в случае работы с
удаленным объектом
Для первого этапа выбора и расчета оп-
тической схемы для ИКС удобны зависи-
мости углового размера кружка рассеяния
от углового отклонения пучка лучей от
оптической оси системы (половинного
углового поля), приведенные для ряда рас-
пространенных схем на рис. 6.8 [51]. Гори-
зонтальные линии 1, 3, 6, 9 определяют
сферические аберрации простых зеркал с
диафрагменными числами К = 1, 2, 4 и 8
соответственно. Линии 4 и 7 соответству-
ют суммарным аберрациям для системы
Максутова-Бауэрса с задним расположе-
нием мениска (см. рис. 6.6,г) для диафраг-
менных чисел К - 1 и Я = 1,5 с корректо-
ром, изогнутым в направлении зеркала, а
линии 2, 5 и 8 - для системы Максутова-
Бауэрса с передним расположением мени-
ска для К = 0,65; 1 и 1,5 соответственно
при изгибе корректора в противополож-
ную от зеркала сторону. Линии 10... 13
представляют кому, а линии 14... 17 - астигматизм сферических или параболических
зеркал с К = 1, 2, 4 и 8 соответственно при расположении апертурной диафрагмы на
зеркале. Линии 18...22 относятся к системе Шмидта (см. рис. 6.6,д') при К= 1; 1,4; 2; 2,8
и 4 соответственно. Авторы [51] рекомендуют пользоваться последними графиками
при со > 0,3 рад «с определенным скептицизмом».
Хотя рекомендация [51] о простом сложении угловых размеров 0 кружков рассея-
ния, создаваемых из-за сферической аберрации и комы, далеко не всегда приемлема,
значения 0, получаемые из зависимостей, приведенных на рис. 6.8, могут служить ис-
ходными данными для выбора схемы объектива и дальнейшего его расчета методами,
изложенными в многочисленной литературе по прикладной оптике.
Часто оптическая система ИКС должна работать одновременно в нескольких спек-
тральных диапазонах, например в видимом, в среднем ИК (3...5 мкм) и длинноволно-
вом (8... 12 мкм), или в одном широком, охватывающем их диапазоне, например
0,4... 12,0 мкм. Проще всего решить эту задачу с помощью зеркальных и зеркально-
линзовых систем. Один из вариантов такой системы рассмотрен в [237]. В схеме на рис.
6.9 мениск 1 и зеркала 2 и 3 представляют собой объектив Максутова-Кассегрена, а
зеркало 4 и зеркало Манжена 5 - конденсор, расположенный в зоне перекрытия вход-
ного пучка контррефлектором 2. Изображение пространства предметов строится на
приемнике излучения 7. Мениск 1, являющийся защитным элементом или обтекателем,
может отсутствовать, и в этом случае вместо зеркала Манжена 5, предназначенного для
коррекции хроматизма и компенсации термоаберраций, вносимых мениском 1, можно
6.3. Предварительный выбор типа оптической системы
113
использовать простое сферическое зеркало. Зеркало 2 может быть асферическим. Ма-
териалы, из которых изготавливаются мениск 1 и зеркало 5, должны быть прозрачны в
широком спектральном диапазоне. Так, в [237] предлагается выполнять мениск из
сульфида цинка. Размеры и расположение компонентов 4 и 5 подбирают так, чтобы
минимизировать виньетирование, особенно заметное при увеличении углового поля
системы.
Для изменения углового поля такой системы (увеличения в три раза) в [237] предла-
гается ввести зеркало 6, которое может, перемещаясь вдоль оптической оси, занимать
одну из двух позиций, показанных на рис. 6.9 пунктиром. В одном положении зеркало
6 располагается ближе к мениску 1 и не перекрывает лучи, идущие от зеркала 2 к зер-
калу 3. В другом (6') оно как бы заменяет собой зеркало 2, и хотя входной зрачок объ-
ектива уменьшается, угловое поле системы увеличивается. Подвижный компонент 6
может быть выполнен в виде зеркала Манжена, что улучшает условия коррекции абер-
раций и возможных температур-
ных расфокусировок.
Результаты расчета оптиче-
ской схемы, представленной на
рис. 6.9, показали, что для осе-
вых пучков в области спектра
8... 12мкм можно достичь ди-
фракционного предела, хотя в
видимой области качество изо-
бражения ограничивается абер-
рациями (наиболее заметно ска-
зывается остаточный астигма-
тизм, а в широкоугольной систе-
ме - кривизна поля). Частотно-
контрастная характеристика сис-
темы как в видимом, так и в ИК-
диапазоне (8... 12мкм) при изме-
нениях температуры от -30 до
+70°С практически не изменялась,
что свидетельствует о хорошей
атермализации системы, т.е. о ма-
лых термоаберрациях.
В объективах с переменным
фокусным расстоянием использу-
ется либо плавное (вариобъекти-
вы), либо дискретное (ступенча-
тое) изменение f’. Чем больше
диапазон изменения f’, а следова-
тельно, и увеличения оптической
ДЮоб.
мрад
510
10
10°
10“’
10~2
103
10"2
10°
со, рад
Рис. 6.8. Зависимости углового размера кружка рассеяния
Дюоб от половинного углового поля со для ряда зеркальных
и зеркально-линзовых систем
Параметры некоторых объективов компании «Janos Technology»
Таблица 6.7
Параметры STRIX TYTO ALBA ASIO NYCTEA VARIA SURNIA
Фокусное расстоя- ние, мм 7,13,25,50, 75,100,200 18, 25,50, 100, 150 13, 25,50, 100 7,13,25, 50,100 25, 50, 100 13,25, 50, 100 25,50
Диафрагменное число 1,4 1,0 4,0 2,3 2,3 2,0 0,86
Спектральный ра- бочий диапазон, мкм 7...14 7...14 3...5 3..5 1,5...5,0 8...12 7...14
Диаметр апертур- ной диафрагмы, мм 16,3 — 6,25 11 11 12,4 26,4
Размер изображе- ния по диагонали, мм 21 21 21 21 21 21 21
Расстояние между апертурной диа- фрагмой и плос- костью изображе- ния, мм 22,8 25,4 25,4 25,4 25,4 22,9
Угловое поле, град. ПО, 75,45, 23,15,11,6 58; 43; 22; П; 7,5 75,45, 23,11 ПО, 75,45, 23,11 45,23,11 75,45, 23,11 45,23
Коэффициент пропускания, % 90...95 93 92..95 92... 95 75...77 93...95 93...95
Габариты системы, мм (диаметр х рас- стояние от входно- го торца до плос- кости изображе- ния) для/ = 50 мм 75,7х(86,1... 92,3) 61,9x70,9 58,7х(81,5... 87,5) 61,9х(78,8... 84,8) 61,9х(78,8... 84,8) 58,6х(83,3... 88,8) 81,7х(94,3... 100,3)
Масса, г 425,255,241, 525,567, 850, 3175 284, 370, 284, 1530, 2500 255,241,252, 2835 500, 227, 227, 213, 880 312,312,1985 340, 284,284, 766 400,454
114 Глава 6. Оптические системы ИКС
6.4. Расчет некоторых параметров оптической системы
115
системы, тем сложнее вариобъектив, тем больше его габаритные размеры, масса, стои-
мость. Большинство вариобъективов линзовые, однако известны и чисто зеркальные,
например те, в которых используются две последовательно расположенные системы
Кассегрена [195]. Однако диапазон изменения f у последних обычно невелик (до трех
крат).
Более просты по конструкции и надежнее в эксплуатации объективы со ступенча-
тым изменением фокусного расстояния. Иногда для переключения f достаточно про-
стого поворота группы линз на 90°, в результате эта группа вводится в ход лучей,
строящих изображение, или выводится из него. В зеркально-линзовых объективах воз-
можно ступенчатое изменение продольного положения компонентов системы, как это
Рис. 6.9. Оптическая схема с
переменным угловым полем,
работающая в широком спектральном
диапазоне
показано, например, на рис. 6.9. При этом могут
использоваться дихроичные зеркальные поверхно-
сти, отражающие излучение в одном из рабочих
спектральных диапазонов и пропускающие его в
другом. Такие системы могут одновременно рабо-
тать как в активном (приемно-передающем), так и в
пассивном режимах.
Производители оптических систем стремятся
унифицировать свои разработки, следуя модульно-
му принципу конструирования многих современ-
ных ИКС. В качестве примера можно привести па-
раметры объективов, выпускаемых компанией
«Janos Technology» (США) и предназначенных для
работы в составе различных ИКС (табл. 6.7).
Объективы каждого типа выпускаются с различ-
ными фокусными расстояниями (табл. 6.7), кото-
рым для сохранении размера изображения постоян-
ным соответствуют переменные угловые поля. Из-
менения пропускания для различных модификаций
объективов одного типа незначительные и состав-
ляют единицы процентов (табл. 6.7). При постоянном размере изображения и перемен-
ном ряде фокусных расстояний такие объективы легко сопрягаются с фотоприемным
устройством постоянного формата, т.е. с одним и тем же МПИ.
6.4. РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ
ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Получение достаточного для функционирования ИКС потока излучения и обеспече-
ние необходимого пространственного и температурного разрешения, т.е. достижение
необходимого качества изображения пространства объектов, тесно связаны между со-
бой. Как уже отмечалось, при выборе D и D/f необходимо учитывать требования не
116
Глава 6. Оптические системы ИКС
только к пространственному, но и к энергетическому (температурному) разрешению
ИКС. В гл. 4 описывается связь этих видов разрешения, определяемая эквивалентной
шуму разностью температур ДТП (пороговое энергетическое разрешение) и минималь-
ной разрешаемой разностью температур ДТР (температурно-частотное разрешение).
Рассмотрим, как на начальном этапе проектирования ИКС можно определить важней-
шие геометрооптйческие параметры оптической системы и как они связаны с парамет-
рами и характеристиками других звеньев ИКС и системы в целом.
Методика расчета и выбора важнейшего параметра оптической системы - площади
4В}( (или диаметра D) входного зрачка объектива, как правило, базируется на обобщен-
ной методике энергетического расчета ОЭС [61, 151]. Составив основное энергетиче-
ское уравнение, определяющее связь полезного сигнала, шумов и помех с показателем
качества работы ОЭС, можно решить его относительно площади или диаметра входно-
го зрачка объектива.
Простейший анализ формулы для ДТП показывает, что при выбранном МПИ можно
уменьшить ДТп, увеличив относительное отверстие D/f’. Так, для достижения ДТП по-
рядка 0,06...0,08 К ИКС с неохлаждаемым МПИ типа микроболометра должны иметь
относительные отверстия D/f порядка 1:0,8... 1:1 при формате МПИ 320x240 пикселов
размером порядка 50 мкм. При этом частота Найквиста близка к 10 лин/мм. Однако, на
практике этого часто трудно достичь из-за сложностей коррекции аберраций при уве-
личении D и D/f', усложнения конструкции и удорожания объектива, а также из-за воз-
можного при этом увеличения числа компонентов объектива и соответствующего
ухудшения его пропускания. Уменьшение фокусного расстояния f также ограничено,
так как, например, при фиксированном размере чувствительного элемента приемника
это ведет к ухудшению углового разрешения ИКС.
Если задан размер элемента обнаруживаемого или наблюдаемого объекта, который
ИКС должна разрешать для решения задачи, поставленной перед системой (обнаруже-
ние, распознавание, классификация, идентификация), то в угловой мере требуемое гео-
метрическое разрешение Дсор можно определить как (см. §4.3)
где йкр - критический размер объекта; N- число разрешаемых элементов; I - дальность
до объекта.
Как известно, обусловленный дифракцией предел углового разрешения объектива с
круглым входным зрачком диаметром D можно вычислить по формуле
Дод = 2,44V D,
где А - длина волны излучения.
Учитывая на начальном этапе проектирования ухудшение разрешения в квЪ раз из-за
аберраций, как правило, присущих реальным оптическим системам, можно записать
для углового размера кружка рассеяния объектива
6.4. Расчет некоторых параметров оптической системы
117
Лео - = 2,44ЛJJD.
Если считать, что этой величине должен соответствовать угловой размер элемента
чувствительного слоя приемника излучения, определяющий пространственное (геомет-
рооптическое) разрешение ИКС,
До3 =/,//',
где d3 - размер элемента приемника; f - фокусное расстояние объектива, то можно
приравнять друг другу Асор, Асооб и А со /
2h„lNl=2,MkJJD=l,lf. (6.1)
Ставя условие Асор > Асооб, из (6.1) легко получить выражение
D > \,22k^NI / Лкр,
определяющее диаметр входного зрачка, исходя из заданных пространственного раз-
решения и дальности до объекта, а также выбранного спектрального рабочего диапазо-
на (значение Л, может выбираться по верхней границе этого диапазона).
Если выбран или задан размер элемента чувствительного слоя приемника d3, из (6.1)
легко найти требуемое значение относительного отверстия объектива D/f'\
D/f'> 2,44 ka6Xld3.
Выбор углового поля объектива 2® связан с необходимостью соблюдения инвари-
анта Штраубеля или для плоских пучков лучей инварианта Лагранжа-Гельмгольца,
который для оптической системы, находящейся в воздухе, можно записать как [61]
Dsinco = ZnHsin ст'пи, (6.2)
где со - половина углового поля объектива; 1т - размер всего чувствительного слоя при-
емника; ст'пи - апертурный угол приемника, который в случае расположения приемника в
задней фокальной плоскости объектива равен заднему апертурному углу объектива ст',
причем часто принимают sina'nH ~ (D/2)//'. Из (6.2) следует, что sin со = (ZnH/D)sin ст'пи,
или для сравнительно небольших угловых полей 2со объективов
2со = (2/,ш ID) sin ст'Пи. (6-3)
Так как 8шст'пи < 1, то угловое поле объектива не может превышать 2со = 2/1IH ID.
Часто при предварительном выборе или расчете 2со по формуле (6.3) значение ст'пн
определяется как предельно допустимое значение угла падения лучей на чувствитель-
ный слой приемника излучения.
Поскольку от Асор зависит предельная пространственная частота/^, которую должна
разрешать ИКС для решения поставленной задачи, т.е. frp = NI /(27zKp), выражение для
118
Глава 6. Оптические системы ИКС
ЛТр на этой частоте можно представить в виде функции отношения сигнал-шум и ЛТП, а
затем решить его относительно интересующих нас параметров оптической системы D и
D/f’. При этом следует учитывать, что задаваемые или паспортные значения ДТР опре-
деляются по некоторому стандартному тест-объекту, например по семиполосной мире,
у которой отношение ширины полос к их высоте равно 1:7 (см. §4.2). Иначе говоря,
необходим пересчет от условий калибровки ИКС к условиям ее эксплуатации.
В заключение еще раз отметим, что выбор основных габаритных размеров объек-
тива ИКС должен быть тщательно увязан с требованиями к температурному разреше-
нию ДТП системы, спектральному диапазону ее работы, особенностями применяемых
ФПУ (приемников излучения и схем считывания сигналов с элементов МПИ). На-
пример, изменение углового поля ИКС влечет за собой изменение фокусного рас-
стояния объективаа вместе с ним и диафрагменного числа К= f'ID. Следовательно,
меняется и ДГП (см. §5.4). При увеличении К ухудшение температурного разрешения
можно компенсировать, увеличив время накопления tK зарядов, снимаемых с элемен-
тов МПИ. Однако при этом уменьшается частота кадров (частота съема информации
о наблюдаемой сцене), переполняются ячейки схемы считывания и, как следствие,
ухудшается пространственное разрешение ИКС. Это особенно вероятно при исполь-
зовании приемников с большой квантовой эффективностью или при работе в том
спектральном диапазоне, где велик поток излучения (поток фотонов) от наблюдаемых
объектов и фонов.
6.5. ДИФРАКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ИНФРАКРАСНЫХ
ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Дифракционные оптические элементы выполняют самые разнообразные оптические
преобразования, воздействуя только на фазу проходящей через них электромагнитной
волны (волнового фронта). Для этого на поверхности создается микрорельеф, осущест-
вляющий фазовую модуляцию излучения путем изменения ширины и глубины своей
структуры. Для получения требуемого рельефа поверхности можно воспользоваться
нанесением покрытия фотолитографическим способом, лазерной обработкой, элек-
тронно-пучковой литографией, наконец, алмазным точением.
Предназначенные для работы в ИК-диапазоне дифракционные элементы обычно
выполняют, создавая фазовые профили (киноформы) на поверхностях обычных линз.
Оптические элементы (линзы), содержащие как традиционные преломляющие поверх-
ности, так и поверхности, на которых дифрагирует проходящее через них излучение,
часто называют гибридными.
К числу преобразований с помощью дифракционных (гибридных) оптических эле-
ментов относятся: аберрационная коррекция с помощью асферизации поверхности,
коррекция хроматизма и аберраций высоких порядков, коррекция дисторсии, атермали-
зация, трансформирование пучков лучей и др. Кроме того, в оптических системах,
строящих изображения, дифракционные элементы могут выполнять функции оптических
6.5. Дифракционные элементы в инфракрасных оптических системах 119
спектральных фильтров, микролинзовых растров, диффузионных экранов, фазовых
пластин, просветляющих покрытий и просто дифракционных решеток.
Основные ограничения реализации этих преобразований и функций обусловлены
технологическими возможностями получения микрорельефа с очень высокой точно-
стью, характеризуемой погрешностями порядка длины волны излучения и менее. К со-
жалению, в ИК-диапазонах (3...5 и особенно 8... 12 мкм) номенклатура оптических ма-
териалов, служащих для создания микрорельефных покрытий, гораздо меньше, чем для
видимого спектра. Поэтому основные успехи в создании дифракционных элементов
связаны с использованием тонкого алмазного точения таких материалов, как германий,
кремний, сульфид цинка и некоторых других.
Один из важнейших показателей качества ИКС - минимальная разрешаемая разность
температур ДТр - находится в обратно пропорциональной зависимости от коэффици-
ента пропускания То и квадрата относительного отверстия (Dlf) оптической системы,
а также значения оптической передаточной функции GonT, входящей в качестве одно-
го из сомножителей в выражение для частотной характеристики (передаточной функ-
ции) всей ИКС - Лике (см. п. 4.2.2). Увеличение чувствительности особенно важно
для ИКС с неохлаждаемыми МПИ, поскольку такие приемники по чувствительности
уступают охлаждаемым МПИ. Поэтому дифракционные элементы, обеспечивающие
высокое качество изображения при увеличении D/f и GonT на заданной пространст-
венной частоте, А также позволяющие сократить число компонентов (линз) в оптиче-
ской системе, т.е. увеличивать т0, оказались особенно эффективными для ИКС с не-
охлаждаемыми МПИ.
В качестве примера можно указать, что в объективах на базе линз из германия, по-
строенных по классической схеме Пецваля, с диаметрами входного зрачка 80... 100 мм
и относительными отверстиями, близкими к 1:0,8... 1:1,2, размер кружка рассеяния из-
за хроматизма составляет десятки микрометров (40...60 мкм), что превышает размеры
чувствительных элементов ряда современных МПИ [82]. Еще значительнее дефицит
разрешения из-за хроматизма и других аберраций может сказаться в ИКС с микроска-
нированием (см. гл. 9).
Как уже отмечалось, выбор материалов для оптических деталей, работающих в диа-
пазоне 8... 14 мкм , довольно ограничен, поэтому коррекция хроматизма в традицион-
ных оптических системах ИКС этого диапазона часто затруднена. То же самое можно
сказать и об атермализации оптических систем, т.е. об устранении термических аберра-
ций, в частности, расфокусировок, в оптических системах, работающих в большом
диапазоне окружающих температур. Поэтому применение дифракционных элементов в
ИКС оказывается весьма эффективным.
Оптическая сила дифракционного элемента (поверхности, на которой дифрагирует
излучение) зависит от длины волны, причем эта зависимость обратно пропорциональна
дисперсии материала подложки, т.е. линзы или пластинки, на задней поверхности ко-
торой образуется дифракционный элемент. Комбинируя оптические силы обычной
преломляющей и дифракционной поверхностей, можно ахроматизировать оптическую
систему без ввода дополнительного компонента (линзы).
120
Глава 6. Оптические системы ИКС
Эффективность решения задачи, поставленной перед дифракционным элементом,
оценивается по рабочему порядку дифракционной картины (обычно первому) для не-
которой выбранной или заданной длины волны Xq. Для других X дифракционная эф-
фективность
S1IK л
где т - порядок дифракции; п - показатель преломления, меняется, т.е. часть излучения
«переходит» на другие, «паразитные», порядки. Это вызывает появление рассеянного
мешающего (несфокусированного) излучения, с которым следует бороться, уменьшая
влияние «паразитных» порядков (обычно, нулевого и второго). На краях диапазона
8... 14 мкм спад дифракционной эффективности для рабочего первого порядка может
составить 20% [82].
Среднее значение дифракционной эффективности т[для рабочего спектрального
диапазона можно определить путем интегрирования выражения для r](m, X) по X и деле-
ния полученного значения на ширину этого диапазона. Пользуясь этим значением, мож-
но приближенно оценить изменение (спад) оптической передаточной функции (ОПФ,
функции передачи модуляции) из-за влияния «паразитных» порядков дифракции:
где б^и - значения ОПФ гибридного элемента и + 1-го порядка дифракции [82].
Этот спад может составлять до 8.. .10%.
Объективы на рис. 6.10, работают в спектральном диапазоне 8... 14 мкм и имеют
диафрагменное число К = 1,2, коэффициент пропускания не менее 80% и угловое по-
ле 4,5°. В схеме, изображенной на рис. 6.10,а, с помощью отрицательного мениска 2
из материала AMTIR-1 и положительного мениска 4 из ZnSe устранен продольный
хроматизм, а также вторичный спектр. Мениск 2 служит также для механической
атермализации, осуществляемой перемещением мениска вдоль оси. После входного
окна 5 приемника излучение попадает на чувствительные элементы 6. Положитель-
ные мениски 1 и 3 выполнены из Ge. Задняя поверхность мениска 1 имеет асфериче-
скую форму для коррекции сферической аберрации. А для коррекции комы и астиг-
матизма надлежащим образом подбирают кривизну менисков. Общая длина конст-
рукции составляет 229 мм.
Изготовление задней поверхности мениска 1 (рис. 6.10,6) в виде дифракционного эле-
мента позволяет выполнить все мениски из германия и сократить их число. Используя ме-
ниски 2 и 3 с разными по знаку оптическими силами и перемещая мениск 2 для атермали-
зации, удается уменьшить астигматизм и кривизну поля. При этом положение входного
6.5. Дифракционные элементы в инфракрасных оптических системах
121
окна 4 приемника и его чувствительного слоя 5 остается постоянным. Продольный
размер такой системы равен 206 мм. Для обеспечения наилучшей средней дифракцион-
ной эффективности в диапазоне 8... 14 мкм была выбрана ло=1О мкм.
Из-за вредного влияния паразитных порядков дифракции оптическая передаточная
функция схемы, представленной на рис. 6.10,6, на пространственной частоте 16 период/мм
оказалась на 2% меньше аналогичного параметра схемы, изображенной на рис. 6.10,а.
Однако общий выигрыш в энергетической эффективности (чувствительности), вызван-
ный увеличением коэффициента пропускания и относительного отверстия, составил
около 3%. Учитывая более высокую
стоимость AMTIR-1 по сравнению с Ge
(по данным [82] в 1,7 раза), себестои-
мость системы с дифракционным эле-
ментом более чем на 14% ниже, чем
системы с компонентами из Ge,
AMTIR-1 и ZnSe, хотя стоимость изго-
товления системы с дифракционным
элементом методом тонкого алмазного
точения примерно на 2% выше, чем
системы, состоящей из одних герма-
ниевых менисков.
В [107] приводится ряд примеров
эффективного использования дифрак-
ционных оптических элементов в ин-
фракрасных системах. В объективе для
работы в диапазоне 8... 14 мкм с отно-
сительным отверстием 1:1 и угловым
полем 8°, состоящем из двух германие-
вых менисков, передняя поверхность
первого из них выполнена асфериче-
ской, а задняя представляет собой ди-
фракционный элемент (киноформ).
Почти по всему полю достигнут дифракционный предел разрешения, с запасом превы-
шающий размер элемента МПИ (50 мкм). Продольный размер объектива (около 100 мм)
определяется его фокусным расстоянием. В аналоге схемы, состоящем из трех линз со
сферическими поверхностями (Ge, AMTIR-1 и Ge), качество изображения гораздо хуже.
Учитывая сложность и дороговизну получения асферических и дифракционных по-
верхностей на деталях, изготавливаемых из такого твердого материала, как кремний,
фирма «Lockheed Martin-Missiles and Fire Control-Orlando» (США) предложила новую
технологию: нанесение на плоскую поверхность детали из Si тонкой пленки прозрачно-
го в средневолновом ИК-диапазоне пластика с ее последующим (или предваритель-
ным) профилированием под нужную форму одноточечным алмазным точением или
прессованием (моллированием) [264]. В качестве пластикового покрытия использова-
б)
Рис. 6.10. Схемы объективов с механической
атермализацией: а - с обычными компонентами,
б - с дифракционным элементом на задней
поверхности первого мениска
122
Глава 6. Оптические системы ИКС
лись тонкие (0,32...0,76 мм) пленки флюорополимеров и полиэтилена, обладающие
усредненными в диапазоне 3...5 мкм коэффициентами пропускания 0,39...0,67. Не-
смотря на ряд трудностей, возникающих при реализации такой технологии (ограничен-
ная номенклатура пластиков, сложность достижения хорошей адгезии и подбора клея,
различие в температурных коэффициентах расширения кремния и пластика, сложность
просветления и ряд других) для опытного образца объектива с/' = 50 мм и К = 2,6 было
получено достаточно хорошее качество изображения.
В [220] кратко описывается ряд объективов для длинноволнового ИК-диапазона,
разработанных в ГОИ им. С.И. Вавилова, в которых применение дифракционных син-
тезированных микроструктур (киноформов) позволяет уменьшать на 20...30% и более
(вдвое) число линз, что упрощает конструкцию и заметно снижает массу и стоимость
ИКС. В таких объективах с/' = 20...500 мм и увеличением 2...20х (для телескопиче-
ских систем) удалось на 20...30% уменьшить массу по сравнению с аналогами из тра-
диционных компонентов, а качество изображения повысить на 15...20%.
Для тепловизионной системы AN/PAS-13, принятой на вооружение в США и
имеющей четыре типовых модуля (унифицированная оптическая система для по-
строения изображений - базовый модуль и три афокальные телескопические насадки
для легкого, среднего и тяжелого оружия), в качестве приемника излучения принята
линейка KPT-элементов с термоэлектрическим холодильником. В системе использу-
ется одномерное сканирование, а базовый модуль имеет относительное отверстие
1:1,4. Телескопическая насадка для легкого оружия имеет увеличение 2х, для средне-
го и тяжелого оружия, увеличения насадок могут меняться и равны 2...3х и 3,3... 10х,
соответственно. В каждом из четырех модулей используется один киноформ для ах-
роматизации и по крайней мере один асферический элемент, изготавливаемые мето-
дом алмазного точения из Si, Ge и ZnS. Тем самым удается сократить число линз, со-
ставляющих базовый модуль, до трех вместо пяти в модулях на традиционных эле-
ментах (даже с использованием асферики). Кроме того, применение дифракционных
элементов позволяет повысить качество изображения, уменьшить массу системы и
вдвое дисторсию, упростить сборку и юстировку модуля. Хотя для телескопических
насадок выигрыш не столь велик, как для базового модуля, однако и здесь достигнуто
заметное повышение качества изображения, уменьшение на 33....40% числа компо-
нентов, упрощение юстировки.
В ИКС с неохлаждаемыми МПИ, где требуются значительные относительные от-
верстия (порядка 1:1), применение дифракционных элементов также оказывается весь-
ма эффективным, особенно при необходимости уменьшить массу и габариты системы.
Кроме того, при установке в фокальную плоскость объектива микролинзового растра
на основе дифракционного элемента позволяет увеличить коэффициент заполнения
МПИ и обеспечить равномерность облучения его отдельных элементов. Последнее дает
возможность отказаться от специального конденсора (см. рис. 6.1), т.е. упростить кон-
струкцию, уменьшить ее габариты и массу, а также заметно увеличить уровень сигнала,
снимаемый с приемника, поскольку этот сигнал прямо пропорционален коэффициенту
заполнения МПИ и квадрату относительного отверстия объектива.
6.6. Особенности оптических систем приборов ночного видения и отображения информации 123
Для микроболометрического МПИ с коэффициентом заполнения 0,2 использование
микролинзового растра из 64x96 линз, имеющих размеры 61х51 мкм, при работе в
спектральном диапазоне 8.... 12 мкм позволило увеличить сигнал на выходе МПИ в 2,5
раза [105].
Еще одним примером эффективного использования дифракционных элементов в
ИКС служит перестраиваемый оптический фильтр, описанный в [107]. Методом рент-
геновской литографии удалось создать высокоточную металлическую микроструктуру
с отношением высоты элемента рельефа к его ширине порядка 60. При этом фронт на-
растания крутизны отдельных элементов (штрихов, полосок) рельефа может быть сде-
лан очень малым (менее 0,1 мкм на высоте 100 мкм). Растр из никелевых микропластин
образует дифракционную решетку.
Система работает как низкочастотный оптический фильтр линейно-поляризо-
ванного излучения, приходящего на описанную дифракционную решетку после пред-
варительной поляризации, например, с помощью решетки, ориентированной под
прямым углом к растру из никелевых микропластин. Управляя периодом решетки с
помощью электромагнитного привода, можно изменять границу спектральной харак-
теристики подобного фильтра. Первые экспериментальные исследования таких уст-
ройств [107] подтвердили возможность изменения граничной частоты в диапазоне от
9 до 25 мкм при изменении периода растра от 5 до 13 мкм соответственно. При этом
пропускание фильтра в максимуме его спектральной характеристики при этом изме-
нялось от 15 до 90%.
6.6. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ И СИСТЕМ
ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
Специфика оптических систем, работающих в составе приборов ночного видения
(ПНВ), во многом объясняется особенностями эксплуатации этих приборов, а еще
больше особенностями используемых в них электронно-оптических преобразователей
(ЭОП). Здесь прежде всего следует отметить коротковолновый спектральный рабочий
диапазон (ближний ИК-диапазон с X < 1,6... 1,8 мкм, а в подавляющем большинстве
случаев до 0,9... 1,0 мкм). В ряде ПНВ наводка на резкость производится перемещени-
ем одного из компонентов объектива, т.е. имеет место некритичность к стабильности
заднего отрезка. Линейное поле многих объективов сравнительно невелико, что объяс-
няется небольшими размерами фотокатодов большинства ЭОП. Электронно-
оптические преобразователи первых поколений характеризуются заметным падением
разрешающей способности на краю поля, что сказывается на требованиях к качеству
изображения, создаваемому объективом на фотокатоде.
Многие природные образования, например растительность, наиболее контрастны в
диапазоне 0,7...0,9 мкм. Поэтому часто объективы ПНВ, работающих в этой области
спектра, ахроматизируют именно в этом диапазоне.
124
Глава 6. Оптические системы ИКС
Если экран-анод ЭОП находится внутри его колбы, т.е. на небольшом удалении от
наружного стекла, иногда трудно использовать традиционные способы диоптрийной
наводки окуляра ПНВ при заданном большом удалении выходного зрачка. Еще одной
особенностью оптических систем ПНВ является необходимость проецирования на фо-
токатод ЭОП прицельных знаков, часто встречающаяся на практике.
Оптические системы для наблюдения экранов ЭОП, а также экранов систем отобра-
жения информации (СОИ), как и рассмотренные оптические системы, работающие с
ЭОП, могут быть монокулярными, биокулярными и бинокулярными. При монокуляр-
ной схеме изображение рассматривается одним глазом. При биокулярной схеме строят-
ся два совершенно одинаковых изображения, каждое из которых наблюдается правым и
левым глазом без ощущения перспективы, т.е. без создания стереоскопического эффек-
та. При бинокулярной схеме можно использовать один датчик изображения, но свою
Рис. 6.11. Оптическая схема прибора на модульном ЭОП
оптическую систему для каждого глаза; их совокупность делает возможным стереоско-
пическое восприятие наблюдаемого пространства [138]. Наиболее просто стереоскопи-
ческий эффект обеспечивается перекрытием угловых полей оптических каналов право-
го и левого глаз и образованием зоны бинокулярного зрения, в которой возможно осу-
ществить этот эффект.
В [19] описывается ряд оптических систем для ПНВ, разработанных на Ростовском
оптико-механическом заводе (Ярославская обл.). В оптической схеме прибора на мо-
дульном ЭОП типа «Бард» (рис. 6.11) используется объектив типа «Циклоп-Ml», кото-
рый состоит из силового компонента (линзы 1 ...3), перемещающегося при фокусировке,
и неподвижного компонента 9, ком-
пенсирующего астигматизм и кри-
визну поверхности изображения.
Прицельные знаки 7 проецируются
на фотокатод ЭОП 10 линзой 5 с
помощью зеркал 4, 6 и источника
подсветки 8. Объектив «Циклоп-
Ml» с относительным отверстием
1:1,2 при фокусном расстоянии око-
ло 85 мм работает в спектральном
диапазоне 0,546...0,900 мкм. Окуляр также состоит из двух компонентов: подвижного
(линзы 14 и 15) и неподвижного (линзы 12 и 13). Неподвижный компонент установлен
около экрана - анода 11 и компенсирует астигматизм и кривизну поверхности изобра-
жения. Рабочий спектральный диапазон окуляра - 0,486...0,589 мкм; фокусное рас-
стояние - около 25 мм; передний отрезок - 5,72 мм; диаметр выходного зрачка 16 равен
6 мм, а его удаление - 70 мм.
В оптической схеме ПНВ на однокамерном ЭОП (рис. 6.12) [19] зеркально-линзовая
схема позволяет разместить в зоне центрального экранирования светодиод 1 для работы
активным методом. Все линзы объектива выполнены из стекла К8. Положительный мениск
2 в сочетании с контррефлектором 3 и линзой Манжена 4 компенсирует хроматические
аберрации чувствительности фотокатода 12 в спектральном диапазоне 0,546...0,900 мкм, а
6.6. Особенности оптических систем приборов ночного видения и отображения информации 125
линза 5 - астигматизм и кривизну поверхности изображения на фотокатоде ЭОП 6.
Эффективное относительное отверстие объектива — 1:1,45 при фокусном расстоянии
около 81 мм, линейное угловое поле - 14 мм. Кольцевые диафрагмы 13... 15 служат для
защиты от рассеянного света. Бинокулярная лупа (линзы 7 и 8) имеет диоптрическую
подвижку относительно экрана - анода 11. Ромбические призмы 9 и 10 раздваивают
изображение - для правого и левого глаза наблюдателя. Фокусное расстояние лупы -
около 25 мм, удаление зрачков глаз от призм - 15 мм, передний отрезок - 17,5 мм, диа-
пазон изменения базы глаз для диаметра зрачка глаза 4 мм составляет 54...76 мм. Дли-
на всего ПНВ немногим более 170 мм.
Зеркально-линзовый объектив ПНВ с переменным увеличением на бипланарном
ЭОП (рис. 6.13) [19] состоит из пяти линз (2...7). Промежуточное перевернутое изо-
бражение формируется линзами 3,
4 и 6 перед линзой Манжена 2.
Линзы 2 и 4, центральная часть
линзы 6 без зеркального покрытия
и линза 7 формируют прямое изо-
бражение на катоде ЭОП 8, ком-
пенсируя аберрации перевернутого
изображения. Рабочий спектраль-
ный диапазон объектива —
0,546...0,900 мкм, фокусное рас-
стояние - 62,85 мм, эффективное
относительное отверстие - 1:1,55,
линейное поле — 14 мм. Бленды 1 и 5 служат для защиты от рассеянного света. Окуляр
имеет две подвижные линзы 9 и 10, его фокусное расстояние может изменяться от 12
до 22 мм, линейное поле составляет от 7,6 до 12,5 мм, диаметр выходного зрачка - 6 мм,
а его удаление - 15 мм. Продольный размер прибора 75...80 мм, и увеличение от 2,85
до 5,25 крат.
Нужно отметить, что в по-
следнее время особое внимание
уделяется увеличению углового
поля ПНВ, особенно в очках ноч-
ного видения (ОНВ), используе-
мых в системах ночного пилоти-
рования вертолетов, при вожде-
нии автомобилей и судов и ряде
других случаев. При этом очень
важно, чтобы угловое поле ОНВ
приближалось к угловому полю
невооруженных глаз для комфортности работы и сохранения естественной координа-
ции движений. Так, американская компания «ITT Industries» разработала и выпустила
на рынок панорамные ОНВ (PNVG - Panoramic Night Vision Goggles) с угловым полем
Рис. 6.12. Оптическая схема прибора на однокамерном
Рис. 6.13. Оптическая схема прибора с переменным
увеличением
126
Глава 6. Оптические системы ИКС
Рис. 6.14. Оптическая схема панорамных очков ночного
видения
100°. Столь широкое поле (при
сохранении качества изображения
без усложнения схемы объектива)
реализуется благодаря двум кана-
лам оптической системы ОНВ,
каждый из которых состоит из двух
объективов 1, двух ЭОП 2 и двух
оптических систем переноса 3 (рис.
6.14). Изображения, создаваемые
объективами, сопрягаются с помо-
щью призменных блоков 4, а затем
через призмы-ромбы 5 посредством
окуляров 6 переносятся в выходные
зрачки 7.
Среди других разработок ОНВ
следует отметить голографические
очки для вождения наземных
транспортных средств и обеспечения действий спецподразделений, разработанные
бельгийской компанией «Delft Sensor Systems». На рынок были поставлены однока-
Рис. 6.15. Оптическая схема двухканального прицела
«день-ночь»
нальные голографические очки HVN-1 и двухканальные стереоскопические HNV-3D.
Особенность этих ОНВ с. суммированием изображений от разных каналов состоит в
том, что они работают и на просвет, позволяя вести наблюдения в угловом поле более
100°, не снимая ОНВ. При этом, опуская глаза, пользователь в обычном режиме может
наблюдать приборную панель управления. В двухканальном стереоскопическом анало-
ге HNV-3D используются два ЭОП, расположенных по обеим сторонам ОНВ, чем дос-
тигается увеличение базы, т.е. лучший стереоэффект.
Отдельную группу составляют оптические системы прицелов «день-ночь». Объек-
тив 6 ночного канала достаточно простой оптической схемы двухканального прицела,
работающего в любое время суток (рис. 6.15), состоит из компонентов 1 и 7, причем 1 -
объектив дневного канала; 3 -ЭОП; 2 -
оборачивающая система; 4 и 8 - полу-
прозрачные зеркала; 5 - окуляр.
На оптической схеме прицела
«день-ночь» с зеркально-линзовым
объективом (рис. 6.16) 13 — зеркально-
линзовый объектив ночного канала,
образуемый компонентами 1, 11 и
12; 2 - объектив дневного канала; 3,
4 и 6 - плоские зеркала; 8 -полупро-
зрачное зеркало с прицельной шкалой
7; 10 - ЭОП; 9 - окуляр; 5 - оборачи-
вающая система.
6.6. Особенности оптических систем приборов ночного видения и отображения информации 127
Специальные ночные насадки
позволяют вести прицельную
стрельбу ночью, не сбивая устано-
вок дневного прицела. Примером
служит насадка KN250 норвежской
фирмы «Simrad», имеющая угловое
поле 12° [160]. Поскольку ее увели-
чение равно единице, общее увели-
чение прицела определяется увели-
чением дневного канала.
На практике используются так-
же насадки на ОНВ, служащие ча-
стью системы дистанционной пере-
дачи изображения от одного из ка-
налов на экран монитора. Такие
Рис. 6.16. Оптическая схема двухканального прицела
«день-ночь» с зеркально-линзовым объективом
системы позволяют оценивать готовность пилота, передавать изображение в реальном
масштабе времени по телеметрическому каналу, контролировать и оценивать результа-
ты бомбометания, использовать информацию о положении головы пилота для задания
предварительного целеуказания и т.п. В оптической схеме такой насадки (рис. 6.17)
объектив 1 и ЭОП 2 относятся непосредственно к ОНВ. Изображение с экрана строится
с помощью объектива 3, являющегося одновременно первым компонентом окуляра (3 и
5). Часть потока (около 10%) отражается от светоделительной поверхности призмы-
куба 4 и через призму 6 приходит на чувствительный слой ПЗС-камеры 7. Затем элек-
тронное изображение с ПЗС-
камеры обрабатывается элек-
тронным блоком 8 и через ин-
терфейс RS-170 подается на мо-
нитор и кодирующую телеметри-
ческую аппаратуру. Небольшие
световые потери в одном из ка-
налов ОНВ практически не ска-
зываются на комфортности рабо-
ты пилота-оператора.
Во многих ИКС видимое изо-
бражение сцены, получаемое с
помощью СОИ, создается не на
специальном экране, а на лобо-
вом стекле автомашины, обтека-
Рис. 6.17. Телевизионная насадка на стандартные ОНВ
фирмы «1ТТ»
теле или защитном колпаке лета-
тельного аппарата, на защитном стекле шлема пилота или водителя. Эти элементы, с
помощью которых одновременно наблюдаются и поле обзора, и его изображение, соз-
даваемое ИКС, принято называть комбайнерами (combiners), т.е. «объединителями»
128
Глава 6. Оптические системы ИКС
изображений. В нашлемных ИКС (см. гл. 11 и 14) часто используются светоделитель-
ные (полупрозрачные) комбайнеры, работающие «на просвет» для видимого излучения,
поступающего от наблюдаемой сцены, и на отражение для излучения, поступающего с
экрана системы отображения ИКС. Существуют также дихроичные комбайнеры, отра-
жающие и пропускающие излучение в различных спектральных диапазонах, а также
получившие в последние годы распространение голографические комбайнеры, пред-
ставляющие собой дифракционные решетки, работающие в узких спектральных диапа-
зонах. Изображение с выхода СОИ может проецироваться на комбайнер специальной
оптической системой, а также создаваться на голографическом покрытии, нанесенном
на поверхность комбайнера, обращенную к наблюдателю; в последнем случае важно
обеспечить защиту этого покрытия от вредных внешних воздействий, а также свести к
минимуму влияние вибраций на изображение. Некоторые особенности оптических сис-
тем комбайнеров всех трех типов рассмотрены в [138, 201].
Глава 7
МАТРИЧНЫЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ
ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
7.1. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ФОТОПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ
С МАТРИЧНЫМИ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫМИ
ПРИЕМНИКАМИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Современные фотоприемные устройства (ФПУ) с двумерными МПИ (фотоматрица-
ми) состоят из структурированного, т.е. разделенного на отдельные элементы (пиксе-
лы), фоточувствительного слоя (собственно МПИ) и электрически связанной с ним
системы считывания (съема) и первичной обработки сигналов, образующихся на от-
дельных элементах при их облучении потоком, собираемым оптической системой (объ-
ективом). Фотоприемные устройства могут выполняться по гибридной технологии, ко-
гда каждый элемент фоточувствительного слоя соединяется через свой контакт с от-
дельной ячейкой схемы считывания, т.е. собственно приемник излучения и схема счи-
тывания формируются в различных объемах (кристаллах, чипах, на разных подложках),
или по монолитной технологии, когда фоточувствительные элементы и ячейки схемы
считывания формируются в одном объеме [22,23, 33, 39, 51, 116, 136, 151, 184].
В ФПУ без накопления, в которых регистрируются мгновенные значения сигналов,
поступающих на отдельные чувствительные элементы, необходимо одновременно под-
ключать все элементы к своим каналам усиления и считывания, осуществляемого па-
раллельно по всем каналам. В этом случае число выводов приемника должно быть не
менее X*Y +1, где X*Y- формат МПИ (X- число строк, а У - число столбцов матрич-
ного МПИ). Это весьма усложняет конструкцию МПИ из-за большого числа близко
расположенных элементов (пикселов). Несмотря на принципиально возможное высокое
быстродействие таких ФПУ для них характерны сравнительно невысокая чувствитель-
ность, паразитные взаимные связи между отдельными элементами, сложность комму-
тации очень малых сигналов, возникающих в этих элементах, и другие недостатки.
В большинстве современных ИКС «смотрящего» типа используются ФПУ с накоп-
лением сигналов (рис. 7.1). Каждый из чувствительных элементов 1 матричного МПИ
присоединен к накопителю зарядов 2 — емкости, обеспечивающей накопление зарядов
от данного элемента за промежуток tM между его опросами. Через предусилители 3 и
5 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
130
Г лава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Рис. 7.1. Структурная схема простейшего
фотоприемного устройства с накоплением
сигналов
мультиплексор 4 сигналы передаются на
электронный тракт, т.е. заряд накопителей
считывается через время /н. Если время
смены изображения (время кадра) равно ZK,
а число элементов пространственного раз-
решения в угловом поле (в кадре) равно
Xх Y, то тактовая частота мультиплексора
fT = (X*Y)/tK. Для матричных МПИ /н < 4
Чувствительные элементы МПИ могут
быть присоединены к малошумящим пре-
дусилителям, которые в этом случае иг-
рают роль накопителей заряда. Поскольку
обычно накопитель общий для строки или
столбца, то период накопления ограничи-
вается не длительностью кадра tK, а време-
нем считывания строки или столбца.
Одни из первых матричных ФПУ для работы в ИК-области были выполнены в виде
единой гибридной конструкции, состоящей из кристалла матрицы фоточувствительных
элементов и интегральной схемы считывания (ИСС) сигналов с этих элементов и их
первичной обработки. Каждый из фоточувствительных элементов соединяется с ИСС,
которая в простейшем случае служит для съема сигналов, их мультиплексирования и
вывода на один выход.
Основным фактором, ограничивающим время накопления сигнала в ФПУ с накоп-
лением при работе в длинноволновом ИК-диапазоне (8... 14 мкм), является лимитиро-
ванная емкость ячейки накопления зарядов, поскольку количество этих зарядов в этом
диапазоне определяется сравнительно мощным излучением, создаваемым фоном, на-
блюдаемым ИКС, излучением окружающей среды и элементов конструкции. Сигнал,
создаваемый фоном, может быть настолько велик, что во избежание переполнения яче-
ек накопления приходится значительно сокращать время накопления. При этом можно
использовать дополнительный затвор на входе ИСС, который разделяет накопленный
заряд и при превышении определенного уровня «сливает» часть заряда через дополни-
тельный диод. Тем самым уменьшается влияние фона. Охлаждаемые ФПУ (МПИ с
ИСС) монтируются внутри криостата и могут иметь охлаждаемую диафрагму для огра-
ничения потока фонового излучения.
В другой разновидности конструкции ФПУ на МПИ монолитные чувствительные
элементы и схема считывания формируются в едином технологическом цикле в общем
объеме полупроводника, обычно кремния. Такие ФПУ дешевле интегральных и благо-
даря отсутствию отдельных соединений и термических рассогласований между МПИ и
схемой считывания более надежны. Вместе с тем из-за необходимости размещать в од-
ной плоскости чувствительные элементы и схему считывания размеры первых умень-
шаются. Монолитные ФПУ работают не во всех спектральных диапазонах, так как не
во всех фоточувствительных материалах можно формировать схемы считывания.
7.1. Структурные схемы ФПУ с матричными МПИ
131
Для расширения функций обработки сигналов внутри ФПУ эффективной оказалась
предложенная в 80-е годы так называемая Z-технология: несколько тонких керамиче-
ских плат с электрическими выводами собираются в пакет, на торец которого наносятся
фоточувствительные элементы МПИ. Считывание сигналов с этих элементов выпол-
няют аналоговый процессор и мультиплексорные ИСС, расположенные на платах, че-
рез электрические выводы, выходящие на торцы плат. Такая конструкция позволяет
размещать на поверхностях плат большое число ИСС, необходимых для разнообразной
обработки сигналов. Керамические платы могут быть заменены непосредственно ИСС.
По принципу считывания сигналов с отдельных элементов приемника ФПУ можно
разделить на два класса: с последовательным переносом (последовательной выборкой)
зарядов и с координатной (произвольной) выборкой. Примерами первых являются схе-
мы считывания сигналов с МПИ на базе приборов с зарядовой связью (ПЗС) - строч-
ная, кадровая и строчно-кадровая схемы фотоприемных ПЗС (ФПЗС), а вторых - мат-
рицы на базе приборов с зарядовой инжекцией (ПЗИ) [26, 50, 61].
При строчной схеме считывания (рис. 7.2,а) на каждую из строк оптической секции
3 (секции накопления) через ключи 2 выбора строк, управляемые регистром сдвига 1,
работающим от генератора сдвигающих импульсов, подаются импульсы сдвига заря-
дов. Сигналы из каждой горизонтальной строки последовательно направляются в вер-
тикальный выходной регистр 4, управляемый генератором сдвигающих импульсов, и
далее в усилитель. Поскольку заряды от каждой строки проходят через разное число
элементов (разрядов) выходного регистра, то для получения видеосигнала, соответст-
вующего распределению облученности по поверхности оптической секции, сигналы с
отдельных строк должны вводиться в систему отображения с задержкой по времени,
пропорциональной номеру строки.
В схеме кадрового считывания весь кадр, образующий изображение, по столбцам,
как это показано на рис. 7.2,6, или по строкам после завершения процесса накопления
зарядов в секции 1 переносится в секцию хранения 2. Затем в секции 1 снова идет на-
копление зарядов, а в секции хранения 2 происходит параллельный перенос зарядов по
Рис. 7.2. Строчная (а), кадровая (б) и строчно-кадровая (в) схемы считывания сигналов с ФПЗС
5*
132 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
столбцам в выходной регистр 3, т.е. происходит последовательный вывод столбца изо-
бражения. Так как заряды от каждого элемента области накопления, соответствующие
освещенностям этих элементов, проходят через области расположения других «элемен-
тарных» зарядов, то к каждому из них добавляется заряд, генерируемый под воздейст-
вием облученности в предыдущих элементах. Тем самым изображение смазывается,
Рис. 7.3. Схема матричного МПИ с координатной
выборкой
что проявляется в виде тянущихся за изо-
бражением «хвостов», амплитуда которых
уменьшается с ростом отношения времени
накопления к времени переноса (считыва-
ния) столбца или строки.
При строчно-кадровой схеме считыва-
ния изображения (рис. 7.2,в) область нако-
пления состоит из столбцов (или строк)
фоточувствительных элементов 1, между
которыми находятся защищенные от па-
дающего на эту область потока сдвиговые
регистры 2. Заряды накапливаются в фо-
точувствительных элементах и затем пере-
носятся в соседние ячейки сдвиговых ре-
гистров 2. Во время накопления следую-
щего кадра эти заряды из 2 выносятся в
выходной регистр 3. Время накопления в
такой схеме при одинаковой частоте счи-
тывания кадра в два раза больше, чем в
схеме кадрового переноса, но пространст-
венное разрешение, или эффективность использования падающего потока, хуже из-за
необходимости размещать в плоскости изображения экранированные сдвиговые реги-
стры.
Общий недостаток схем считывания на базе ПЗС - невозможность произвольной
выборки сигналов с отдельных элементов приемника.
В одной из схем работы ФПУ с координатной выборкой (рис. 7.3) каждый элемент
приемника (пиксел) 1 представляет собой совокупность фотодиода (чувствительного
слоя пиксела), емкости, накапливающей заряд, и МОП (металл-окисел-полупровод-
ник)-ключа, управляемого задающим генератором 2 через горизонтальную шину 3. При
замыкании ключа заряд с соответствующего пиксела по вертикальной шине 4 через
предварительный усилитель поступает в аналоговый мультиплексор 5, осуществляю-
щий выборку столбцов матрицы и передачу сигнала на вход усилителя 6. Напряжение
смещения Км подается на чувствительные элементы по шинам 7.
7.2. Параметры и характеристики МПИ
133
7.2. ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Как и одноплощадочные (одноэлементные) приемники оптического излучения, мно-
гоэлементные приемники, также являющиеся преобразователями оптического сигнала
в электрический, описываются стандартизированной системой параметров и характе-
ристик [26, 40, 61, 71 и др.], разделяемой на несколько групп. Например, в отдельные
группы объединяются параметры, имеющие размерность основных электрических ве-
личин; параметры чувствительности; пороговые и шумовые характеристики; спек-
тральные параметры отдельных типов фотоприемников; эксплутационные характери-
стики; вольтовые, частотные, фоновые, энергетические, температурные, временные и
пространственные характеристики. К сожалению, специфика современных МПИ в дей-
ствующих ГОСТах отражена явно недостаточно. Поэтому рассмотрим более подробно
специфические параметры и характеристики этих приемников, учитывая, что общая
методика описания их свойств часто предопределяет выбор того или иного типа МПИ
для конкретной разрабатываемой ИКС.
СПЕКТРАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
Эти параметры и характеристики, зависящие от длины волны падающего на прием-
ник излучения, позволяют предварительно оценить возможности использования того
или иного селективного, обычно фотонного, приемника в составе ИКС. К наиболее упот-
ребительным спектральным параметрам
относятся квантовый выход, или кван-
товая эффективность на заданной дли-
не волны, определяемые отношением
числа фотонов, вызвавших фотоэффект,
к общему числу фотонов, попавших на
чувствительный элемент, а также спек-
тральная (монохроматическая) удельная
обнаружительная способность на за-
данной длине волны D[ (см. далее, а
также рис. 7.4).
Спектральные характеристики при-
емников излучения обычно представля-
ют собой нормированные зависимости
чувствительности от длины волны па-
дающего на приемник излучения. Их ос-
новными параметрами являются длина
волны максимума Хтах характеристики и
две граничные длины волны — коротко-
Dx,
Вт"‘смГц1/2
Рис. 7.4. Спектральные характеристики удельной
обнаружительной способности £>* некоторых
приемников оптического излучения (1 - идеальный
фотодиод, 2 - идеальный фоторезистор,
3 - идеальный тепловой приемник)
134
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
волновая (нижняя) и длинноволновая (верхняя), на которых монохроматическая чувстви-
тельность составляет 0,1 своего максимального значения.
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
К ним относятся, прежде всего, форма отдельных чувствительных элементов (чаще
всего отдельные элементы имеют прямоугольную форму), общее число чувствительных
элементов и закон их расположения, определяющие формат МПИ, а также размеры
(площадь) чувствительного слоя элемента. Часто наряду с размерами чувствительного
слоя элемента МПИ указывают размеры промежутков между чувствительными слоями
соседних элементов. Совокупность этих размеров определяет размеры всего элемента.
Обычно формат представляют в виде произведения числа элементов по горизонтали на
число элементов по вертикали (число строк на число столбцов для прямоугольного зако-
на распределения элементов по площади МПИ). Отношение «полезной» площади (суммы
площадей чувствительных слоев отдельных элементов) ко всей площади МПИ (сумме
площадей элементов) называется коэффициентом заполнения. Иногда помимо площади
всего МПИ приводят площадь (или размеры) оправы приемника, определяемую его кон-
струкцией, наличием электронного обрамления и рядом других факторов. При располо-
жении МПИ в плоскости полевой диафрагмы (обычно, это задняя фокальная плоскость
объектива ИКС) площадь МПИ определяет угловое поле системы.
ПАРАМЕТРЫ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ ИМ
ХАРАКТЕРИСТИКИ
Как и для одноэлементных приемников, для описания МПИ используют большое
число параметров чувствительности и соответствующих им характеристик, определяе-
мых действующими стандартами [26, 40, 61, 71 и др.]. Как известно, чувствительность
приемника представляется отношением изменения электрической величины (тока, на-
пряжения, сопротивления) на его выходе, вызванного падающим на него излучением, к
количественной характеристике этого излучения (потока, облученности). Из этого опре-
деления ясно, что к параметрам чувствительности относятся чувствительность к потоку
или облученности, вольтовая или токовая чувствительность, интегральная или моно-
хроматическая чувствительность и ряд других. Применительно к приемникам, рабо-
тающим в составе тепловизионных ИКС, важно знать температурную чувствитель-
ность - отношение приращения электрической величины на выходе приемника к вы-
звавшему это приращение изменению температуры черного тела, облучающего МПИ.
Зависимости этих и электрических выходных параметров приемника от приложен-
ного к нему напряжения (вольтовые характеристики), а также от потоков или облу-
ченностей, создаваемых на чувствительном слое объектом и фоном (энергетические и
фоновые характеристики), очень важны для оценки возможностей использования
7.2. Параметры и характеристики МПИ 135
МПИ в составе ИКС. Большой интерес представляют линейный диапазон этих харак-
теристик и уровень насыщения, свойственные чувствительным элементам МПИ.
Еще одним параметром, регламентированным ГОСТ 21934-83, является коэффици-
ент фотоэлектрической связи МПИ - отношение напряжения сигнала с необлученного
элемента МПИ к напряжению сигнала, снимаемого с соседнего облученного элемента.
Этот параметр, определяемый для линейного участка энергетической характеристики
при наличии рабочего напряжения питания на всех элементах МПИ, характеризует пе-
рекрестные электрические связи отдельных элементов. Иногда при этом определении
оговаривается вид облучения элементов (точечным или линейчатым излучателем, рав-
номерным облучением по площади элемента и др.).
ПАРАМЕТРЫ ПОРОГОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
Удельная обнаружительная способность элемента МПИ D* определяется так же,
как аналогичный параметр одноэлементного приемника [26,61 и др.]:
D" =г/(ф Е A^l,
где Vc и <рш - напряжение сигнала и спектральная плотность напряжения шума, приве-
денного к единице эффективной полосы пропускания (В/Гц1/2), при равномерной об-
лученности Ее элемента; Лпи эф - эффективное значение площади чувствительного
слоя, определяемое в соответствии с распределением чувствительности по площади
элемента. Для МПИ обычно берется некоторое усредненное для всех его элементов
значение D.
Очень важным параметром для фотодиодов является произведение темнового со-
противления RT г т.е. сопротивления приемника в отсутствие падающего на него излу-
чения в диапазоне его спектральной чувствительности, на площадь чувствительного
элемента Лпи, т.е. ЛТЛПИ- Оно определяет условие работы фотодиода в режиме ограниче-
ния фоном (ОФ), а также удельную обнаружительную способность £)‘ при преоблада-
нии в шуме тепловой составляющей.
ГОСТ 21934-83 регламентирует разброс значений параметра МПИ, представляю-
щий собой разность наибольшего и наименьшего значений параметра элементов МПИ,
отнесенную к среднему значению этого параметра. От неоднородности параметров за-
висит уровень геометрического шума МПИ (см. далее). Показатель неоднородности
к. =(</<.
где о* и ОщГ— дисперсии общего и геометрического шума МПИ, соответственно, слу-
жит для сопоставления вклада временного и пространственного шумов в общий шум, а
следовательно, и в обнаружительную способность и другие пороговые параметры и ха-
рактеристики МПИ.
136 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
ВРЕМЕННЫЕ И ЧАСТОТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Время выборки тв определяется как временной интервал между двумя последова-
тельными выборками сигнала с выходов отдельных элементов ФПУ. Время, или интер-
вал, считывания тсч обычно обусловлено временем между считыванием сигналов с ка-
ких-то определенных элементов МПИ, например между началом считывания сигналов
с отдельной строки МПИ и его концом. Иногда время считывания совпадает со време-
нем кадра tK, затрачиваемым на просмотр (опрос, выборку) всех элементов ФПУ, т.е.
всего углового поля системы. Эффективностью временного цикла работы ФПУ назы-
вают отношение продолжительности накопления сигнала tu в течение одного интервала
считывания ко времени тсч.
Наряду с отмеченными параметрами (время выборки, интервал считывания, время
кадра) широко используются обратные им величины - частоты выборки, считывания,
кадров. Так, времени кадра соответствует частота кадров FK, являющаяся одним из
важнейших параметров МПИ и ФПУ на их основе. Этот параметр часто должен соот-
ветствовать частоте стандарта системы отображения, например, телевизионного. Под
эффективной шумовой полосой пропускания частот обычно подразумевают
=У(Ч)-УНл).
где Ув - число выборок сигнала и шума.
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
К ним прежде всего относят рабочую температуру МПИ и ФПУ, в состав которо-
го он входит. Не менее важны напряжение питания, а также потребляемая (рассеи-
ваемая) мощность. Сюда же можно причислить параметры и характеристики усло-
вий эксплуатации МПИ, таких как температура окружающей ИКС среды, радиаци-
онная обстановка, наличие механических и электромагнитных воздействий и др., а
также стабильность различных параметров и характеристик МПИ в этих условиях.
ВИД И ФОРМА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ВЫХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Для согласования параметров и характеристик МПИ с другими звеньями ИКС важ-
но знать форму выходного сигнала (аналоговую, цифровую), число выходов ФПУ, поря-
док адресации отдельных элементов и т.д. При этом важно оценивать возможность
эффективного поэлементного считывания информации без усложнения алгоритма и
схемы считывания, а также предотвращать влияние возможного возникновения дефек-
тов отдельных элементов, нежелательных взаимосвязей между ними (например, пере-
текания зарядов) и других вредных факторов.
7.3. Шумы фотоприемных устройств
137
73. 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, испус-
каемых источником и поглощаемых приемником; среднее квадратическое значение
этих флуктуаций пропорционально квадратному корню из числа приходящих на при-
емник фотонов; этот вид шума особенно важен для ИКС, работающих в длинноволно-
вом ИК-диапазоне по источникам слабых сигналов, сравнимых с этим шумом;
- тепловой шум Джонсона, вызываемый флуктуациями числа носителей заряда в
цепи нагрузки приемника;
- избыточный (Vf-шум), спектр плотности мощности которого подчиняется закону Mf;
- генерационно-рекомбинационный шум, возникающий в полупроводниковых МПИ,
где носители заряда преодолевают потенциальный барьер; частным случаем его явля-
ется дробовый шум;
- шум, вносимый электронной схемой считывания (усилителем, мультиплексо-
ром);
- геометрический шум, вызванный неоднородностью параметров и характеристик
отдельных элементов ФПУ, а также рядом других факторов.
Совокупность первых пяти составляющих иногда не совсем строго называют слу-
чайной 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, вы-
боркой и квантованием сигнала, сдвигом фаз отдельных сигналов, нелинейными эф-
фектами, 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, обуслов-
ленного флуктуациями тока, протекающего через р-л-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 р-л-переходах, короткие за-
мыкания, разрывы соединений и др.;
- неоднородность чувствительности, включая спектральную; неоднородность коэф-
фициентов передачи (усиления) сигналов; нелинейность энергетических и фоновых ха-
рактеристик элементов;
- неоднородность темнового тока отдельных элементов.
138
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Кроме того, иногда к составляющим геометрического шума относят:
- шум коммутации (мультиплексирования), обусловленный помехами, проникаю-
щими на выход ФПУ от источников импульсных управляющих напряжений;
- шум фотоэлектрических связей между отдельными элементами МПИ (перекрест-
ные 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 эле-
ментах МПИ зарядов в мультиплексор (см. гл. 10) основными источниками геометри-
ческого шума являются разброс пороговых напряжений МОП-структур схем считыва-
ния зарядов и разброс накопительных емкостей. В ФПУ монолитной конструкции
весьма заметной часто оказывается неоднородность фотоэлектрических связей, приво-
дящая к размытию изображений.
Низкочастотный 1/Лшум сравнительно медленно изменяется во времени. Поскольку
каждый элемент ФПУ характеризуется своим значением 1//-шума, низкочастотные со-
ставляющие 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 гранич-
ных длинах волн спектральных характеристик отдельных элементов МПИ, которые мо-
гут возникать при изменении температуры этих элементов, и корректировать их в про-
цессе работы ИКС. Для коррекции геометри-
ческого шума используются различные мето-
ды, рассмотренные в гл. 10.
Вклад отдельных составляющих шума
ФПУ в общий шум ИКС, обусловленный,
помимо описанных факторов, помехами и
искажениями сигналов в других звеньях сис-
темы, а не только в ФПУ, удобно оценивать с
помощью так называемой трехмерной моде-
ли шумов [62,142,143,151 и др.]. Эта модель
используется при расчете таких важных по-
казателей качества работы ИКС, как мини-
мальная разрешаемая разность температур
Д 7р и минимальная обнаруживаемая разность
температур. Общий шум ИКС разделяется на
отдельные составляющие, характеризуемые
Рис. 7.5. Диаграмма, определяющая модель
трехмерного шума многоэлементного изменениями сигналов в условиях равномер-
приемника излучения ного облучения МПИ, в трехмерной ортого-
нальной системе координат (х, у, t). Коорди-
ната t относится к временному представлению последовательности NK кадров, а х и у - к де-
картовой пространственной системе (рис. 7.5). Для удобства и полноты описания модель
включает общее статистически усредненное значение шума 5ср.
7.3. Шумы фотоприемных устройств
139
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 состав-
ляющие шума независимыми, среднее квадратическое значение общего шума ИКС
можно представить в виде
° ИКС = Scp = < + °2,у + •
Таблица 7.1
Основные средние квадратические составляющие трехмерной модели шума
Составляющая шума Изменения
в элементе МПИ в строках в столбцах в кадрах
Временная ®tyx C5fy Ctx Ct
Пространственная Сух Пх •Sep
Таблица 7.2
Источники основных составляющих трехмерной модели шума
в ИКС «смотрящего» типа
Составляющая шума Вид (формы проявления) шума и причины его возникновения
Ctyx Случайный трехмерный шум из-за несовершенства механизма преобразования оптического сигнала в электрический (временные шумы приемника)
Сух Геометрический шум, не изменяющийся от кадра к кадру (неоднородности отдельных элементов - пикселов приемника)
од Изменения средних значений считываемого сигнала в столбце пикселов от кадра к кадру («дождь»)
Изменения средних значений считываемого сигнала по строке пикселов от кадра к кадру (горизонтальные «хвосты» и «затяжки»)
Изменения средних значений считываемого сигнала по строкам, фиксируемые во времени (горизонтальные линии или полосы), из-за неоднородностей отдельных пикселов
Изменения средних значений считываемого сигнала по столбцам пикселов, фиксируемые во времени (вертикальные линии)
о. Изменения интенсивности сигналов от кадра к кадру (мерцание кадров)
Sep Среднее статистическое всех составляющих
140 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Вклад отдельных составляющих общего шума в оИкс 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 = ®tyx определяет,
по сути дела, величину ДТП (см. п.4.2.3 и §5.4).
Как правило, заранее можно рассчитать только составляющую о^, т.е. ДТП, а ос-
тальные определяются путем измерений, т.е. экспериментально. Часто считают, что о,
можно пренебречь по сравнению с другими составляющими общего шума ИКС, и для
большинства ИКС «смотрящего» типа обычно можно принять
°икс “ + •
7.4. СОВРЕМЕННЫЕ ОХЛАЖДАЕМЫЕ МАТРИЧНЫЕ
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Если для работы ИКС «смотрящего» типа необходима достаточно большая частота
кадров, к параметрам ФПУ и МПИ предъявляется ряд специфических требований. Так,
большая частота кадров в сочетании с большим числом чувствительных элементов
МПИ, что позволяет достичь высокого пространственного и временного разрешения
ИКС, приводит к необходимости обеспечивать высокую тактовую частоту — частоту
считывания сигналов с отдельных элементов, т.е. применять малоинерционные и высо-
кочувствительные приемники излучения. Сегодня этим требованиям, в наибольшей
степени удовлетворяют фотонные (фотоэлектрические) охлаждаемые приемники, обла-
дающие малой инерционностью, достаточно высокой чувствительностью и низким
уровнем шума.
К числу наиболее распространенных фотонных МПИ относятся: МПИ на базе трой-
ных соединений кадмий-ртуть-теллур, работающие как в средневолновом (3...5 мкм),
так и в длинноволновом (8... 14 мкм) диапазоне; МПИ на базе барьеров Шотки PtSi/Si,
работающие в диапазонах 1.. .3 мкм и 3...5 мкм; МПИ на базе InSb (3.. .5 мкм); МПИ на
квантово-размерных ямах, работающие в сравнительно узких спектральных полосах
внутри диапазона 2...20 мкм. Такие приемники, как правило, требуют охлаждения до
достаточно низких температур, что заметно усложняет конструкцию ФПУ и всей ИКС.
Однако сегодня технология их производства достаточно хорошо освоена, серийно изго-
тавливаются МПИ самых различных форматов. Системы, в которых они используются,
характеризуются высоким геометрическим и энергетическим (температурным) разре-
шением.
7 А. Современные охлаждаемые МПИ
141
7.4.1. МАТРИЧНЫЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
НА СОЕДИНЕНИИ «КАДМИЙ-РТУТЬ-ТЕЛЛУР»
Охлаждаемые приемники на базе соединения Hg!.xCdxTe (KPT-приемники) широко
используются в ИКС «смотрящего» типа. Механизм их работы основан на принципе
собственной фотопроводимости полупроводников [26, 89, 90, 99, 104, 151, 184, 194,
233, 261 и др.].
Важным свойством KPT-приемников является возможность менять положение гра-
ничной длины волны спектральной характеристики, изменяя относительное содержа-
ние ртути и кадмия (рис. 7.6). У большинства выпускаемых сегодня КРТ-приемников
граничная длина волны лежит в диапазоне
6...20 мкм. В то же время имеются сведения о
возможности довести ее значение до 120 мкм,
что представляет большой интерес для ряда
применений таких МПИ в астрономии [80]. Эти
приемники с достаточно большим квантовым
выходом (> 65%) и сравнительно небольшой
скоростью генерации носителей требуют охла-
ждения до 77...90 К в диапазоне 8...12 мкм и
до 120...200 К в диапазоне 3...5 мкм, что выше
температур, при которых работают многие дру-
гие фотонные приемники ИК-излучения того
же спектрального диапазона. Тем самым уде-
шевляется и упрощается система охлаждения
приемника и увеличивается время наработки
ИКС до отказа.
Рис. 7.6. Зависимость граничной длины волны
спектральной характеристики Hg|.xCdxTe
от температуры охлаждения при различных
концентрациях х кадмия
Одной из технологических проблем созда-
ния высококачественных КРТ-приемников,
особенно с большим значением Арр, является
необходимость жестко контролировать одно-
родность состава материала МПИ по всему чувствительному слою. Так, чтобы сохра-
нить разброс чувствительности отдельных элементов приемника, работающего в спек-
тральном диапазоне 8... 12 мкм, в пределах 10%, необходимо поддерживать постоянст-
во концентрации кадмия (значение х) с допуском 0,002 на площадке диаметром 10 мм
[80, 217].
Используя непосредственно в процессе изготовления приемника молекулярно-
лучевую эпитаксию с контролем процесса нанесения тонких (3...4 мкм) промежуточ-
ных слоев из CdZnTe применительно к так называемым альтернативным подложкам из
GaAs и Si, удается изготавливать высококачественные KPT-приемники и, что очень
важно, заметно снизить их стоимость по сравнению с приемниками, где слой КРТ на-
носится на подложку из CdZnTe [217].
142 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
В настоящее время удается наносить эпитаксиальные слои КРТ площадью до не-
скольких десятков квадратных сантиметров. При увеличении числа элементов и
уменьшении их размеров определяющим фактором качества этих МПИ стала емкость
ячеек схем считывания сигналов. Новые схемы считывания, разработанные в послед-
ние годы (см. гл. 10), позволяют компенсировать ухудшение качества МПИ (увеличение
ДТП) из-за уменьшения размеров элемента и емкости ячеек схемы считывания.
Следует отметить, что при температурах охлаждения порядка 77 К и менее в гиб-
ридных конструкциях, в которых элементы чувствительного слоя, выполненные из по-
лупроводниковых соединений типа КРТ, соединены со схемой считывания индиевыми
столбиками между матрицей МПИ и ячейками этой схемы, возникают механические
напряжения. По мере увеличения формата МПИ эти напряжения и сопутствующие им
деформации становятся все заметнее. Некоторые пути уменьшения влияния этих фак-
торов рассмотрены в [174].
Матричные ФПУ на базе КРТ и ИКС на их основе с высокой степенью коррекции
геометрического шума разрабатываются рядом фирм. Так, компания «Sofradir» (Фран-
ция) выпускает матрицы из КРТ для работы в диапазоне 3...5 мкм в формате 320x240
(повышенного качества) и 640x480 элементов (среднего качества). Для МПИ, рабо-
тающих в диапазоне 8... 12 мкм, предпочтителен формат 320x240 элементов. При шаге
элементов 30 мкм, коэффициенте заполнения, близком к 100%, емкости ячейки 5 пФ
(3,1-107 электронов) и номинальной частоте кадров до 50 Гц (при одном выходе) фор-
маты матриц одинаковы и не зависят от спектрального рабочего диапазона. В ближай-
шем будущем эта фирма предполагает начать промышленный выпуск фотодиодных
гибридных матриц на эпитаксиально выращиваемых слоях с размером пикселов поряд-
ка 20 мкм и ЛТП менее 0,15 К в спектральном диапазоне 8,5... 11 мкм при охлаждении
до 90 К и частоте кадров 200 Гц [260].
Для ближневолнового ИК-диапазона 1,0...2,5 мкм компания «Sofradir» разработала
KPT-матрицы форматом 320x256 пикселов размером 30 мкм, работающие при темпера-
туре охлаждения 150... 180 К, т.е. с использованием термоэлектрических или пассив-
ных охлаждающих устройств. У этих чувствительных элементов среднее значение
квантовой эффективности приемников достигает 80%. Уменьшая граничную длину
волны до 2,5 и даже до 2,2 мкм и работая с небольшими потоками, приходящими на
МПИ, удается повысить рабочую температуру (температуру охлаждения) до 215 и
240 К соответственно при температуре окружающей среды 280...290 К [104]. Коэффи-
циент заполнения этих МПИ превышает 0,9; схема считывания с четырьмя выходами
позволяет образовывать выходные сигналы с частотой, достигающей 4 МГц.
Такие МПИ предполагается использовать в системах контроля и дистанционного
зондирования (многоканальные видеоспектрометры), где важнейшим параметром ИКС
является отношение сигнал-шум на выходе отдельных пикселов ФПУ. При диафраг-
менном числе объектива 1,1, частоте кадров 50 Гц, времени накопления 1-0 мс и ско-
рости поступления фотонов на приемник 1,1 • 108 фотон/с среднее значение отношения
сигнал-шум составило 820, а его среднее квадратическое отклонение для отдельных
7.4. Современные охлаждаемые МПИ
143
пикселов оказалось, равным 73, что соответствует неоднородности чувствительности
порядка 8,9% [104].
В ФРГ для средневолнового ИК-диапазона разработаны матричные ФПУ на КРТ
формата 256x256 с очень малыми значениями ЛТП: менее 7 мК при температуре охлаж-
дения 77 К (при размере пиксела 40 мкм, диафрагменном числе объектива К = 1,5 и
времени накопления 2,8 с) и формата 384x288 с АД, менее 18 мК при К = 4,6 и времени
накопления 10 мс [97]. Такие ФПУ при возрастании рабочей температуры до 130 К мо-
гут работать в составе ряда ИКС, уже нашедших практическое применение, например в
условиях пожара [96, 98]. Для формата KPT-матрицы 256х256 пикселов размером
40 мкм планируются кадровые частоты до 800 Гц при ДТ^ < 20 мК и К = 2. Высокую
скорость считывания сигналов ~ (72...80) 106 пиксел/с обеспечивают восемь аналого-
вых выходов ФПУ при частоте опроса 9... 10 МГц. При этом время накопления состав-
ляет 1,2 мс [98].
Группа компаний «Raytheon Infrared Operations» (США) выпускает крупноформатные
(640x480) KPT-матрицы с размером пиксела 20 мкм, работающие в том же (3...5 мкм)
ИК-диапазоне спектра [93].
Компанией «DRS Infrared Technologies» (США) предложена технология изготовления
«вертикально интегрированных» фотодиодных ФПУ форматов 256х256 и 640x480 с вы-
соким коэффициентом заполнения для работы в спектральном диапазоне 3...5 мкм при
температурах охлаждения несколько более 150 К [174]. С помощью этой технологии
можно создать ФПУ для систем как сканирующего, так и «смотрящего» типа, работаю-
щих во всех поддиапазонах ИК-спектра, а также двухдиапазонные (двухспектральные)
ФПУ. Оптический сигнал поступает на МПИ с лицевой (передней), а не с тыльной (через
подложку) его стороны, что позволяет достичь высокого пространственного разрешения.
В [224] сообщается о разработке НПО «Орион» (Россия) охлаждаемых до 77 К фото-
диодных KPT-матриц форматов 128x128 и 384x288 пикселов с периодом 35 мкм и разме-
рами чувствительного слоя 30x30 мкм. Граничная длина волны спектральной характери-
стики этих матриц — 10,5 мкм; удельная обнаружительная способность в максимуме
спектральной характеристики - (2.. .4)-1О10 Вт-1смТц,/2 при апертурном угле 60°.
Для астрономических исследований создаются ФПУ на КРТ очень больших форма-
тов. Например, для спектрального диапазона 0,9...2,5 мкм научный центр компании
«Rockwell» создал фотоматрицу формата 2048x2048 пикселов с периодом 18 мкм. Раз-
новидность этого ФПУ может работать в видимом и ближнем ИК-диапазонах
(0,4...5,0 мкм) [99].
В табл. 7.3 приводятся данные о параметрах ряда зарубежных ФПУ на базе КРТ, для
которых доля бездефектных пикселов определяется числом элементов с чувствитель-
ностью, изменяемой относительно ее среднего значения не более, чем на 30%, а иногда
и на ± 50%. Эквивалентная шуму разность температур АТП для большинства ФПУ оце-
нивалась при температуре фона Тф « 300 К. Разброс чувствительности отдельных пик-
селов МПИ в проспектах фирм-изготовителей обычно дается как среднее квадратиче-
ское значение.
144
Глава 7. Многоэлементные матричные приемники оптического излучения
Параметры ФПУ с охлаждаемыми
Параметр Фирма-изготовитель (или пользователь),
«Boeing», США «SOFRADIR», Франция
ТСМ 2000 тем 3000 ID ММ 067, ID ММ 069 ID ML 067 ID ML 069 ID ММ 011, IDMM013 ID ММ 019 ID ML 021 BD ММ 04
BD ML 006
Приемник
Спектральный рабочий диа- 1,0...4,85 3,7 ...4,8 3,7... 4,8 3,7...4,8
пазон, мкм
7,7... 9,5 7,7... 10,0 7,7... 10,0
Рабочая температура, К 80...120 120 120 80
95...120 80 90
Формат, пиксел 256 х 256 320*256 или 320*240 или 128*128 128*128
320 x 240 256*256
Размер (период) пиксела, мкм 40x40 30 50 50
30x30
Коэффициент заполнения >0,85 >0,9 >0,9 >0,9
>0,7 >0,7 >0,7
Количество бездефектных >95 >99,5 >99,5 >99,5
пикселов, % >99,0
>98 >99,0 >99,0
Эквивалентная шуму раз- — 8...16 7 7
ность температур ДТП, мК (при диафрагменном числе объектива К) 7,5 (К = 2,67) (К = 2...4) 18(Х>2) 10 10
Разброс чувствительности отдельных элементов (неод- нородность), % <10 <6 5 5 5
Схема
Частота кадров, Гн >60 <400 <300 <300
<150
Частота считывания сигналов с отдельных элементов, МГц >5 8...12 5 <5
Емкость ячейки считывания, ЗхЮ7 (1,2...3,7)-107 3,7x107 3,7x107
электрон 2,8x107 1,21х108 1,21х108
7.4. Современные охлаждаемые матричные МПИ
145
МПИ на базе КРТ
Таблица 7.3
страна, марка или обозначение
«Rockwell», США «Raytheon Santa Barbara», США «ВАЕ Systems», Ве- ликобритания «AEG Infrarot Module GmbH», ФРГ «DRS Infrared Technologies», США
Hawaii-2 ТЕ25630 Osprey 384x288 — HDVIP™ FPA
излучения
0,85...2,5 Ч 4>5 3,0...5,0 3...5 3...5
78 190...220 120 8...10 135 8...10,5 77
2048x2048 256x256 384x288 80 640x512 480x640
18 30 20 256 x 256 24 25
— — — 40 >0,8 >0,6
— >99 99 >99 >99
— 65 (№1,6) 14 <15 (№4,6) 20 (№2,0) 10/13 (№2)
— — — — <5
считывания
2...16 100 — 60 60
<2 5 5 200 18 —
(1,0... 1,6)-105 — — 7 • 106 ЗЮ7 2 107 2 IO8
146 Г лава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
7.4.2 ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ PtSi/Si, GeSi/Si и InSb,
РАБОТАЮЩИЕ В ДИАПАЗОНЕ 3...5 мкм
В области контакта металла с полупроводником образуется потенциальный барьер,
обусловленный пространственным зарядом в полупроводнике и называемый барьером
Шотки. В настоящее время для работы в диапазоне 3...5 мкм широко используются
МПИ на базе барьеров Шотки PtSi/Si, охлаждаемые до 77 К и называемые часто просто
МПИ на базе PtSi [4, 89, 172, 243, 263, 268]. Эти приемники изготавливают из кремния
и металлов (Pt, Ge, Ir), которые, вступая в химическую реакцию, образуют силициды. В
качестве металла чаще всего выбирают платину. Барьер Шотки, т.е. тонкий слой сили-
цида платины PtSi, формируется специальной термообработкой пленки платины, нане-
сенной на поверхность кремния, т.е. на границе раздела Si—PtSi.
В фотодиодах с барьерами Шотки процессы генерации и рекомбинации носителей
происходят не в объеме полупроводника и не в его поверхностном слое, а в слое сили-
цида, образующего барьер. Поэтому здесь практически отсутствуют перекрестные ис-
кажения, а квантовая эффективность не зависит от параметров полупроводника и их
разброса по площади чувствительного слоя. Благодаря этому в таких приемниках неод-
нородность чувствительности во много раз меньше, чем в МПИ других типов (разброс
чувствительности не больше 0,5... 1,5%). В то же время аддитивная составляющая гео-
метрического шума (разброс темновых токов) в фотодиодах с барьерами Шотки суще-
ственно превышает разброс чувствительности, а кроме того, следует учитывать разброс
коэффициентов передачи схем считывания и первичной обработки сигналов.
После формирования барьера на тонкую пленку PtSi наносится диэлектрический
слой SiO2, а затем зеркальный слой алюминия. Лицевая сторона из Si покрывается
просветляющим слоем. Таким образом между зеркальным и просветляющим слоями
образуется резонатор, значительно увеличивающий поглощение, т.е. квантовую эф-
фективность, благодаря многократному отражению в нем падающего на приемник
излучения. Эти приемники имеют высокую плотность заполнения общей площади
МПИ малоразмерными чувствительными элементами. Достоинством МПИ на базе
барьеров Шотки PtSi/Si является и то, что для них удается использовать хорошо осво-
енную технологию изготовления кремниевых интегральных схем, что позволяет соз-
давать крупноформатные МПИ со значительно большей долей выхода годных изде-
лий, чем в МПИ на КРТ.
Недостатками матриц из PtSi является низкая квантовая эффективность и ограни-
ченный спектральный диапазон чувствительности. Для этих МПИ при изменении тем-
пературы фона от 293 К до 253 К значение ДТП может изменяться (ухудшаться) почти
на порядок. Из-за отражения на границах различных материалов внутри кристалла воз-
можно заметное растекание зарядов и появление ореолов вокруг «горячих точек» на
изображении.
В МПИ с барьерами Шотки к основным составляющим общего шума относятся: фо-
тонный шум, обусловленный флуктуациями процесса излучения фотонов источником и
их поглощением приемником; дробовый шум фотодиода, вызванный флуктуациями
1А. Современные охлаждаемые МПИ
147
числа термогенерируемых носителей, преодолевающих потенциальный барьер; тепло-
вой шум Джонсона.
Промышленностью выпускаются приемники на базе PtSi самых различных форма-
тов. В качестве примера можно указать фирму «Mitsubishi Electric Corporation» (Япо-
ния), которая изготавливает ряд МПИ форматов от 256x256 до 1040x1040 с размерами
пикселов от 26x20 до 17x17 мкм и коэффициентами заполнения от 39 до 71%. Токовая
чувствительных отдельных элементов достигает 5-10-2 A/Вт (на X = 3 мкм) и 510-3 А/Вт
(на X = 5 мкм) [172].
ЦНИИ «Электрон» (С.-Петербург) разработал МПИ ISD 200М и ISD 201М, а также
фотоприемник ФППЗ БШ 22М, охлаждаемый до 77...79 К и чувствительный в диапа-
зоне 1,1...5,0 мкм. Формат последнего равен 256x256 пикселов с периодом 40x40 мкм,
размеры чувствительного слоя - 18 мкм по горизонтали и 30 мкм по вертикали. Напряже-
ние насыщения - не менее 0,5 В, а интегральная чувствительность - не менее 1,5109 В/Вт
на элемент. Пороговая экспозиция на элемент составляет не более 510-13 Вт/элемент при
уровне фона не более 3-10-5 Вт/см2. Средняя квадратическая неоднородность чувстви-
тельности как соседних элементов, так и по всей матрице не превышает 5 %. Динами-
ческий диапазон выходного сигнала составляет не менее 60 дБ, время считывания всего
массива в режиме чересстрочной развертки - не более 40 мс.
Форматы ISD 200М и ISD 201М равны 256x290 и 256x288 соответственно; частота
видеосигналов, снимаемых с этих МПИ, - 5 МГц при времени кадра у ISD 200М 40 мс
и у ISD 201М - 20 мс. Различие во временах кадров объясняется способами съема сиг-
налов с матрицы [263]. Температура охлаждения этих МПИ (40...50 К) обеспечивается
с помощью микрохолодильника, работающего по циклу Стирлинга (см. § 7.8).
В крупноформатных МПИ на базе PtSi/Si (1024x1024, 1040x1040) очень трудно
обеспечить высокую частоту опроса ячеек ФПУ, которая для обычных частот кадров,
принятых в телевидении, достигает 40 МГц и выше. Поэтому в ряде таких МПИ сигнал
снимается не с одного выхода, а с четырех параллельных. При этом матрица ФПУ раз-
деляется на четыре квадранта, опрашиваемых параллельно отдельными устройствами
считывания и усиления.
Монолитные ИК-МПИ на гетеропереходах Gei.xSix/Si (кратко GeSi) также обладают
хорошей однородностью параметров отдельных элементов МПИ [268]. Их фоточувст-
вительный слой в виде пленки формируется путем эпитаксии на кремниевой подложке,
которая используется для изготовления схем считывания. Квантовая эффективность та-
ких приемников, в принципе, выше, чем у приемников из PtSi.
Спектральная чувствительность большинства известных приемников на базе GeSi
при их охлаждении до 77 К лежит в диапазоне 2...5 мкм. Верхняя граничная длина
волны спектральной характеристики и ее максимум уменьшаются при увеличении
концентрации Ge. Изменяя концентрацию Ge и толщину пленки GeSi, можно сдви-
гать граничную длину волны спектральной характеристики (даже в область
8... 12 мкм). Правда, при этом интегральная чувствительность приемника уменьшает-
ся на два-три порядка по сравнению с чувствительностью в диапазоне X = 2...3 мкм, где
она составляет ЮЛ.-КГ1 А/Вт. Легируя приемник бором (оптимальная концентрация
148
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Параметры ФПУ с охлаждаемыми МПИ на базе
Параметр Фирма - изготовитель,
«Boeing», США «NVT Corp. (Night Vision Technology)», США ЦНИИ «Электрон», Россия
Приемник
Материал PtSi PtSi PtSi PtSi
Спектральный рабочий диапазон, мкм 1,0...5,0 3,0...5,0 3,0...5,0 1,1...5,5
Рабочая температура, К <80 — — 77...79
Формат, пиксел 324x240 320x240 640x486 256x256
Размер (период) пиксела, мкм 30x30 30x30 25x25 40x30
Коэффициент заполнения >0,7 0,5 0,3
Эквивалентная шуму разность температур <60 <70 <90 60... 120
АТ),, мК (при диафрагменном числе объектива К) (А=1,5) (№1,8) (№1,8) (№1,1)
Схема
Частота кадров, Гц 60 30 25
Частота считывания сигналов с отдельных 4 — — 5
элементов, МГц
Емкость ячейки считывания, электрон >1,2107 - - l,5106
Параметры ФПУ с охлаждаемыми
Параметры Фирма - изготовитель
«ВАЕ Systems», Великобритания «Lockheed Martin», США
Приемник
Спектральный рабочий диапазон, мкм Рабочая температура, К Формат, пиксел Размер (период) пиксела, мкм Количество бездефектных пикселов, % Эквивалентная шуму разность температур ЛТп, мК (при диафрагменном числе объектива К и температуре фона гФ) Разброс чувствительности отдельных элементов (неоднородность), % 3,5...5,5 80 320x256 30 >99 10,4 (№1,1; 7ф=295К) <10 3,0...5,0 256x256 320x256 30 >99,5 <20 3,0...5,0 640x512 128x128 24/60
Схема
Частота кадров, Гц Частота считывания сигналов с отдельных элементов, МГц Емкость ячейки считывания, электрон <5 2-107 60/400 120/1300
7.4. Современные охлаждаемые МПИ
149
гетеропереходов с барьерами Шотки
Таблица 7.4
страна
«Mitsubishi Electric Corporation», Япония «AEG Infrarot Module GmbH», ФРГ ЗАО «Матричные технологии», Россия
излучения
PtSi <2,0...5,0 512x512 26x20 0,71 33 (K=l,2) GeSi 8...12 43 512x512 34x34 0,59 80 (А=2,0) PtSi <2,0...5,0 1040x1040 17x17 0,53 100 (*=1,2) PtSi 3,0...5,0 640x486 24x24 70 (К=2,0) PtSi 3,0...5,0 <80 512x512 22x22 0,42 <30
считывания
30 10 2,9-106 30 30 10 1,610е 50 12 25...50
МПИ на базе InSb
Таблица 7.5
(или пользователь) страна
«Litton», США «SCD (Semi-Conductor Devices)», Израиль «Raytheon Infrared Operations», США
излучения
3,40...4,95 — 1,0...5,45 1,0...5,45 0,4...5,3
78 78 20... 80 — 80
256x256 320x256 320x256 640x512 256x256/512x512/640x480
30x30 30x30 30x30 25 30/25/20
>99 >99 >99,5 >99,5 >98
— — <20 — 14/18/20 (А=3,0...5,3;
7ф=290...295 К)
8 8 5 - 5/8/8
считывания
60 60 440 30... 107 120/60/30
5 >5 <5 10 —
2,6-107 1,8-107 (7,5... 11,0)-106 1,1-Ю7 9-10е/6-106/7,6106
150 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
примеси около 2 1020 электрон/см3), удается при толщине пленки GeSi порядка
20 мкм повысить чувствительность примерно в 10 раз.
В [268] сообщается о создании ФПУ на GeSi формата 512x512 с размером пиксела
34x34 мкм при коэффициенте заполнения 59%. При температуре охлаждения 43 К, час-
тоте кадров 30 Гц и диафрагменном числе 2,0 для фона с температурой 300 К ДТП было
равно 80 мК. Разброс чувствительности от пиксела к пикселу не превышал 2,2 %, а
число годных пикселов составило 99,998 %.
Для изготовления МПИ, работающих в ближне- и средневолновом диапазонах ИК-
спектра, распространен сурьмянистый индий InSb. Сравнительно недорогие матричные
приемники на базе InSb, работающие в диапазоне 3...5 мкм при охлаждении до
77...88 К, хорошо освоены в производстве, обладают достаточно высокой чувствитель-
ностью (обычно квантовая эффективность более 70...80%), хорошо сочетаются с раз-
личными схемами считывания и обработки электрических сигналов. Однако неодно-
родность отдельных элементов МПИ из InSb больше, чем у МПИ на базе PtSi и GeSi, и
может составлять от 3 до 10 %.
Ряд отечественных организаций и зарубежных компаний (НПО «Орион», «Raytheon»,
«Lockheed Martin Santa Barbara», «Focal Plane», «Cincinnati Electronics») производит мат-
рицы из InSb с длинноволновой границей чувствительности 5,0...5,5 мкм. Форматы этих
матриц достигают 1344x1344 пикселов и более с периодом 20...40 мкм. Удельная об-
наружительная способность элементов матриц в максимуме спектральной характери-
стики близка в среднем к 10В * * 11 Вт’смТц12. Уже разрабатываются МПИ с форматом до
2052 х 2052 элементов.
В табл. 7.4 и 7.5 приводятся данные о ряде производимых в настоящее время охлаж-
даемых МПИ рассмотренных типов и ФПУ на их основе.
7.4.3. ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ
(НА КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ ЯМАХ)
В последние годы в качестве альтернативы МПИ на базе КРТ разрабатываются
охлаждаемые МПИ на гетероструктурах с внутренней фотоэмиссией - фотоприемни-
ки с квантовыми ямами или ячейками (ФКЯ, Quantum Well Infrared Photodetector -
QWIP). Эти высокоомные приемники с примесной фотопроводимостью создаются на
основе полупроводниковых сверхрешеток А3В5, для чего в полупроводниках с широ-
кой запрещенной зоной методами молекулярно-лучевой эпитаксии формируются че-
редующиеся потенциальные ямы. Расстояние между возбужденным (верх ямы) и ос-
новным (дно ямы) состояниями подбирается так, чтобы в них кроме основного со-
стояния электронов с уровнем, близким ко дну ямы, помещалось только одно возбу-
жденное состояние, уровень которого близок к верхней границе ямы. Фотоны с энер-
гией, соответствующей энергии перехода со дна ямы наверх, переводят электроны с
нижнего уровня на верхний, создавая при приложении внешнего напряжения ток фо-
топроводимости.
7.4. Современные охлаждаемые МПИ
151
Наиболее известные образцы ФКЯ состоят из чередующихся слоев GaAs и AlxGai_xAs,
где GaAs - слой с ямами (~10.. .40 A), a AlxGai.xAs (или для упрощения записи AlGaAs) об-
разуют барьерные слои (-100.. .500 А), а также из слоев InGaAs/AlGaAs и InGaAs/InAlAs. В
направлении, перпендикулярном поверхности барьерных слоев, слой с ямами образует
дискретные электронные уровни. При легировании донорами образуются носители, ко-
торые могут быть возбуждены ИК-фотонами и стать свободными.
Структура приемника с квантовыми ямами на базе GaAs/AlxGai~xAs состоит из
GaAs-подложки, на которую последовательно наносятся: AlAs-слой, первый GaAs-
контактный слой, сверхрешетка GaAs/AlxGar
рый индиевым столбиком соединяется со
схемой считывания. На первый GaAs-кон-
тактный слой наносится общий контакт. Из-
лучение поступает на приемник со стороны
подложки.
Из-за низкой чувствительности фоторези-
сторов п-типа из GaAs/AlxGai_xAs к излуче-
нию, падающему на них по нормали, для по-
вышения поглощения фотонов поверхность
второго GaAs-контактного слоя часто делают
рифленой (в виде одно- или двумерной ди-
фракционной решетки), вытравливая на ней
V-образных бороздки. Например, в ФКЯ, из-
готовленных в Институте физики полупро-
водников СО РАН, период решетки составля-
ет 2,8...3,0мкм, а глубина бороздок -
0,7...0,8мкм. При отражении излучения от
_xAs, второй GaAs-контактный слой, кото-
^Хотн
X, мкм
Рис. 7.7. Спектральная характеристика ФКЯ с
Хщах = 8,3 МКМ
такой поверхности возникает компонента электрического поля с сильным поглощени-
ем. Кроме того, этот контактный слой и слой AlAs образуют оптический резонатор, что
также ведет к увеличению поглощения фотонов.
Оптические и электрические свойства GaAs/AlxGai-xAs-ФКЯ определяются тремя
основными факторами: толщиной слоя с ямами, концентрацией А1 (т.е. значением х)
и легированием слоя с ямами. Максимум сравнительно узкой спектральной характе-
ристики ФКЯ можно смещать, изменяя ширину квантовых ям и высоту барьеров пу-
тем регулировки концентрации А1, т.е. х, в слоях AlxGa!_xAs. На рис. 7.7 в качестве
примера приведена типичная спектральная характеристика ФКЯ с максимумом чув-
ствительности на А,тах=8,3мкм при температуре охлаждения 40 К и напряжении
смещения 1 В.
Достаточно высокая чувствительность ФКЯ часто позволяет использовать их в соче-
тании с объективами, имеющими сравнительно небольшие диафрагменные числа К.
На рис. 7.8 приведены зависимости темнового тока 1Т ФКЯ-приемника на основе 50-
периодной сверхрешетки GaAs /AlGaAs от температуры охлаждения Т для различных
длин волн, соответствующих максимуму спектральной чувствительности [108].
Т,К
Рис. 7.8. Зависимость темнового тока /т от
температуры охлаждения Т для GaAs/AlGaAs
приемника с площадью чувствительного элемента
40x40 мкм2 [108]
152 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
При достаточно глубоком охлаждении (до 40...77 К) ФКЯ на базе GaAs/AlGaAs мо-
гут обнаруживать ИК-излучение в диапазоне 8... 12 мкм, а при охлаждении до еще бо-
лее низких температур - до длин волн порядка 20 мкм. Приемники на базе ФКЯ свободны
от 1 (У1 шума. Их характеристики весьма стабильны и линейны при изменении мощности па-
дающего излучения на шесть порядков. При времени интегрирования сигнала около 10 мс
и охлаждении структур GaAs/GaAJAs до 40.. .77 К эквивалентная шумам разность темпера-
тур ДТП может достигать 0,03 К и менее.
Последние 10 лет фотоприемники на квантовых ямах, которые могут работать в ши-
роком диапазоне спектра (от 1 ...3 до 20 и даже 30 мкм), быстро совершенствуются [74,
89, 90, 103, 108, 127, 132, 133, 134, 190, 191, 217]. На их основе были созданы много-
диапазонные (многоцветные) приемники и приемники с управляемой спектральной ха-
рактеристикой. Приемники на базе ФКЯ,
работающие в длинноволновом ИК-
диапазоне, имеют высокую чувствитель-
ность к состоянию поляризации падающе-
го на них излучения, что позволяет создать
ИКС, собирающие или использующие до-
полнительную информацию о просматри-
ваемой сцене.
Технология материалов группы III—V,
которые используются для ФКЯ, отработа-
на лучше, чем технология материалов
групп II-VI, используемая при изготовле-
нии приемников на базе КРТ. Поэтому од-
нородность чувствительности отдельных
элементов ФКЯ достаточно высока, а
стоимость меньше по сравнению с КРТ-
приемниками.
Основными недостатками ФКЯ пока остаются невысокая квантовая эффективность по
сравнению с KPT-приемниками, а также большие тепловые темновые токи при работе в
диапазоне 8. ..14 мкм и охлаждении до температур выше 70 К (рис. 7.9) [133,191].
В ФКЯ при рабочих температурах более 45 К возрастание темнового тока ведет к
уменьшению граничной длины волны спектральной характеристики до 8... 12 мкм. При
7гр<10 мкм к охлаждению ФКЯ предъявляются менее жесткие требования, чем к при-
емникам на основе примесной фотопроводимости и на базе барьеров Шотки.
Квантовая эффективность ряда МПИ на базе ФКЯ с рифленой поверхностью
обычно менее 10%, но иногда достигает 20 и 25% для граничных длин волн
Хгр = 11,2 и 16,2 мкм соответственно. При этом удельная обнаружительная способ-
ность составляет 2,6-1011 Вт-1,смТц1/2 (для А1Т, = 11,2 мкм при температуре охлажде-
ния 63 К) и 2-10й Вт'*-смТц1/2 (для = 16,2 мкм при температуре 42 К).
При уменьшении темнового тока можно повысить рабочую температуру и кванто-
вую эффективность ФКЯ. Совершенствование конструкции ФКЯ позволяет заметно
ТА. Современные охлаждаемые МПИ
153
снизить скорость термогенерации носителей. Например, в [271] сообщается о создании
ФКЯ на базе слоев InGaAl/InAlAs с длинноволновой границей спектральной характери-
стики 8,1 мкм, обнаружительная способность которого при охлаждении до 77 К огра-
ничивается фоном при угловом поле приемника в 90°.
При рабочих температурах ниже 70 К отношение сигнал-шум ФПУ на ФКЯ зависит, в
первую очередь, от неоднородности фотоприемника, шумов мультиплексора (схемы счи-
тывания) и дробового, или радиационного, шума. При температурах выше 70 К преобла-
дающим становится темновой ток ФКЯ, возрастание которого ведет к уменьшению ем-
кости и насыщению ячеек цепи считывания сигналов, куда поступают заряды. По-
скольку ФКЯ - высокоомное устройство, это снижает эффективность накопления заря-
дов на интегрирующей емкости мультиплексора.
Один из недостатков ФКЯ вызван необходимостью иметь сравнительно большое
время накопления зарядов, чтобы компенсировать малую квантовую эффективность и
обеспечить малые ЛТП. Так, время накопления таких приемников достигает десятков
миллисекунд при низких освещенностях и низких температурах сцены. При использо-
вании ФКЯ в условиях наземных фонов (1017фотон/(см2 с) и более в спектральном диа-
пазоне 8... 14 мкм) проблема быстродействия не возникает. Вообще же для обеспечения
работы этих приемников в длинноволновой ИК-области (8... 14 мкм) необходима весь-
ма низкая рабочая температура охлаждения (< 40...60 К), что считается основным не-
достатком ФКЯ.
На рис. 7.10 показаны частотные характеристики чувствительности ФКЯ при раз-
личных напряжениях смещения V для рабочей температуры 40 К и освещенности
1,2-1014 фотон/(см-с). Сравнительно небольшие изменения частотных характеристик
обусловлены изменением напряжения смещения. Спад частотных характеристик начи-
нается примерно на одних и тех же частотах.
Рис. 7.9. Зависимость темнового тока 7Т для
пиксела размером 18*18 мкм2 от напряжений
смещения V при различных температурах
охлаждения приемника (40... 100 К) с
максимумом спектральной чувствительности на
длине волны 8,3 мкм.
Рис. 7.10. Частотные характеристики ФКЯ при
различных напряжениях смещения:
5,0 (-М-); 3,0 (—♦— ); 2,0 (-▼- );
1,5 (-Л—); 1,0 (——); 0,5 В (-•-)
154
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Частотная зависимость нормализованной чувствительности ФКЯ при напряжении
смещения У= -2 В от уровня облученности (числа фотонов с Хщах = 8,3 мкм, падающих
на поверхность приемника в единицу времени) приведена на рис. 7.11. Очевидно, что
чувствительность ФКЯ начинает уменьшаться при низких облученностях (энергетиче-
ских освещенностях) уже на частотах порядка 1 Гц.
Спектр шума ФКЯ с рабочей температурой 40 К при напряжении смещения -2 В для
нескольких значений освещенностей при Л,П1ах = 8,3 мкм показан на рис. 7.12.
Матрицы ФКЯ успешно соперничают с крупноформатными KPT-матрицами при
небольших кадровых частотах. Уже никого не удивляет формат ФКЯ-матриц
320х240, а большинство ведущих фирм-изготовителей этих МПИ освоило формат
640x480. Рабочая температура ФКЯ ограничивается тепловым шумом, меньшим
уровня 1//-шума. Эти МПИ успешно работают как двухдиапазонные приемники с
очень малым перекрытием спектральных характеристик в отдельных рабочих диапа-
зонах.
В [97] описываются разработки фирм «AIM AEG Infrafot-Module GmbH» и «ТЕМ1С
Semiconductors GmbH» совместно с Институтом Фраунгофера (ФРГ) ФПУ на ФКЯ
формата 640x512 с температурой охлаждения 60...65 К. Эквивалентная шуму разность
температур составляла около 19 мК при работе в средневолновом ИК-диапазоне и око-
ло 27 мК при переходе в длинноволновый ИК-диапазон при апертурах внутренней
(располагаемой внутри дьюара системы охлаждения) охлаждаемой диафрагмы F/2 и
внешней F/3,5. Частота кадров - 30 Гц, температура фона близка к 300 К.
Рис. 7.11. Нормализованная чувствительность
при напряжении смещения V=-2,0 В и разных
уровнях облученности при средней
освещенности, фотон/(см2с): 8,3 х1014 ( );
5,9х10|4( 3,7хЮ14( -М-);
2,8хЮ14( 1,9хЮ14( );
1,2х1014 ( ); 6,6хЮ13 ( );
2,9х1013 ( ); 8,ЗхЮ12 ( -в- )
Частота, Гц
Рис. 7.12. Спектр шума ФКЯ при облученности,
фотон/(см2с): 1,7х1015();1,2х1015( -и-);
7,Зх1014( 5,5х1014(
3,7хЮ14( ); 2,Зх1014( );
9,2х1012(-*-)
Параметры ФПУ с охлаждаемыми МПИ на базе ФКЯ
Таблица 7.6
Параметры Фирма — изготовитель, страна
«QWIPTECH», США «ВАЕ Systems», Великобритания «FLIR Systems», США «AEG Infrarot- Module GmbH», ФРГ «ACREO», Швеция
Приемник излучения
Спектральный рабочий диапазон, мкм Рабочая температура, К Формат, пиксел Размер (период) пиксела, мкм Количество бездефектных пикселов, % Эквивалентная шуму разность температур Л 7^. мК (при дифракционном числе объектива F) Разброс чувствительности отдельных элементов (неоднородность), % 8,0... 9,0 (3,8...15,0) 60...75 320x256 640x512 30x30/25x25 99,9/99,5 20...35/20...35 <5 8,0...10,0 70 320x256 640x512 30/24 >99 20/30 ±10 8,1...9,1 70...72 640x480 >99,5 8,0...10,0 60 256x256 640x512 40/24 99 8/ 10 (#=2) <0,05 (при Д7'п=100 мК) 70 320x240 38 16 (*>1,5)
Схема считывания
Частота кадров, Гц Частота считывания сигналов с отдельных элементов, МГц Емкость ячейки считывания, электрон 100...300 30...107 10/7 1,8-107/1,1-107 <5 2,О1О7/1,3-1О7 50...60 200 30 16 18 3-107 <100
7.4. Современные охлаждаемые матричные МПИ
156
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
В [133] приводятся параметры ФКЯ с£>*= 1,8-Ю11 Вт’-смТц172 и граничной длиной
волны в области 8...9 мкм при охлаждении фотоприемника до 70 К. У таких ФКЯ об-
наружительная способность при напряжении питания порядка 2 В и диафрагменном
числе К =2 ограничивается флуктуациями излучения фона с температурой 300К. На
базе этого фотоприемника форматом 640x484 элементов с размерами 18x18 мкм и пе-
риодом их расположения 25 мкм был создан опытный образец тепловизионной камеры с
объективом из просветленного германия с фокусным расстоянием 100 мм и угловым полем
9,2x6,9 град. Неоднородность чувствительности отдельных элементов без специальной схе-
мы коррекции составила 10%, причем сюда входит неоднородность схемы считывания сиг-
налов - 1% и неоднородность, вызываемая неодинаковым по полю влиянием охлаждаемой
диафрагмы, помещенной перед МПИ, - 1,4%. Камера обеспечила Д7П = 0,043 К. При вводе
специальной двухточечной схемы коррекции неоднородность снижается до 0,1%. Частота
кадров составила 30 Гц; зарядовая емкость ячейки считывания сигнала с одного пиксела
МПИ при Т= 70 К равна 9-106 электронов (сюда входит максимальное число фотоэлектро-
нов сигнала и темновой ток за время накопления в каждом элементе МПИ). Ожидается, что
ряд усовершенствований (оптимизация конструкции решетки, через которую излучение
поступает на слой ФКЯ и которая увеличивает эффективность фотонов, нанесение проти-
воотражающего покрытия на заднюю поверхность МПИ, оптимизация мультиплексора)
позволит достичь длинноволновой границы чувствительности 9 мкм при охлаждении ФКЯ
до 77 К.
В Институте физики полупроводников СО РАН созданы ФКЯ-МПИ, работающие в
спектральном диапазоне 7,5...8,8 мкм, формата 128x128 пикселов с периодом 50 мкм и
размером чувствительного элемента 40 мкм. При диафрагменном числе А=1,6 и частоте
кадров 50 Гц этих приемников АТП= 21 мК при температуре охлаждения 54 К и 60 мК
при 65 К [217].
Все еще остается достаточно низкой рабочая температура охлаждения большинства
ФКЯ-МПИ и ФПУ на их основе (45.. .60 К), однако имеются сообщения о попытках повы-
сить эту температуру до 77 К. Одновременно ведутся разработки неохлаждаемых ФКЯ-
приемников для систем дистанционного зондирования окружающей среды и лазерной свя-
зи на высоких частотах (несколько гигагерц), а также для двухдиапазонных ИКС, прини-
мающих лазерное излучение в ближнем ИК-диапазоне и тепловое излучение в длинновол-
новом участке ИК-спектра.
В табл. 7.6 приводятся параметры некоторых других ФПУ на базе ФКЯ, разработан-
ных за рубежом.
7.4.4. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ОХЛАЖДАЕМЫХ ПРИЕМНИКОВ
Выбор какого-либо одного типа приемников для решения конкретной практической
задачи - весьма трудная задача, требующая одновременного анализа самых различных
и многочисленных факторов, в первую очередь относящихся как к технико-
экономическим параметрам собственно приемника и технологии его изготовления, так
7.4. Современные охлаждаемые МПИ
157
и к конкретным условиям его применения в составе ИКС. Не случайно сравнению раз-
личных типов МПИ и систем на их основе посвящено большое число исследований и
публикаций [128, 183, 235, 250 и др.]. Можно подвести некоторые итоги рассмотрения
достоинств и недостатков отдельных типов охлаждаемых фотонных МПИ, работающих
в спектральных диапазонах 3...5и8...14 мкм.
Для спектрального диапазона 3...5 мкм чаще всего используются МПИ на базе КРТ,
PtSi, InSb и ФКЯ. Приемники на основе КРТ, имеющие большой квантовый выход, мо-
гут работать при температурах охлаждения, более высоких, чем у приемников на осно-
ве InSb и PtSi. Это упрощает систему охлаждения ФПУ на базе KPT-матриц. Однако
однородность чувствительности отдельных элементов этих МПИ хуже (или достигает-
ся гораздо сложнее), чем в ФПУ на InSb. Последние имеют преимущества в достиже-
нии больших форматов, а также в стоимости.
Возможность расширения спектрального рабочего диапазона до 12 мкм и более при
температурах охлаждения до 77...80 К исторически была одной из важнейших причин,
вызвавших интерес к КРТ-фотоприемникам и появление сравнительно большого числа
разработок МПИ на их основе. Нужно учитывать, что благодаря хорошей квантовой
эффективности KPT-приемникам свойственны малые времена накопления (несколько
десятков микросекунд). При этом для небольших диафрагменных чисел объективов
можно достичь очень хорошего температурного разрешения.
Изменение состава КРТ, чтобы обеспечить их работу в диапазоне Z > 12 мкм, пред-
ставляет значительные трудности. В частности, возникает проблема стабильности и од-
нородности этого материала для МПИ больших форматов. Все это приводит к малому
выходу годных изделий при производстве крупноформатных МПИ на базе КРТ и, как
следствие, к повышению их стоимости. Очевидно, поэтому внимание ряда ведущих
фирм-производителей МПИ все больше привлекают, помимо ФКЯ, приемники на гете-
роструктурах с внутренней фотоэмиссией типа Ge* Si! x/Si и, конечно, неохлаждаемые
приемники, прежде всего микроболометры.
Лучшими материалами для создания крупноформатных МПИ с высокой однородно-
стью параметров отдельных элементов считаются InSb и PtSi. Это подтверждает и
практика (см. табл. 7.3-7.6). Приемники на базе PtSi, охлаждаемые до температур по-
рядка 77 К, имеют малый квантовый выход, особенно при приближении к граничной
длине волны 5,5 мкм. Однако низкий уровень шума схем считывания и предваритель-
ного усиления ФПУ на их базе позволяет приблизиться в этих приемниках к радиаци-
онному (фотонному) пределу шума и при достаточно светосильной оптической системе
и больших временах накопления (10...20 мс) достичь хорошего температурного разре-
шения, т.е. малых ДТП. Основным достоинством МПИ на базе PtSi является высокая
однородность чувствительности отдельных элементов, что заметно упрощает схему
коррекции неоднородности.
Приемники на квантовых ямах имеют не очень высокую квантовую эффективность.
ФПУ на их основе обладают хорошим температурным разрешением при умеренных диа-
фрагменных числах объективов и временах накопления (менее Юме). В диапазоне
158
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
3... 5 мкм они могут работать с температурами охлаждения порядка 88 К (точка кипения
жидкого аргона).
Для работы в длинноволновом ИК-диапазоне ФКЯ имеют ряд существенных пре-
имуществ перед КРТ и некоторыми другими фотоприемниками. Хотя их квантовая эф-
фективность в диапазоне 8... 14 мкм заметно меньше, чем в диапазоне 3...5 мкм, при
времени накопления порядка 10 мс и умеренных диафрагменных числах объектива они
обладают хорошим температурным разрешением. В [128] указывается, что в условиях
Хпих, МКМ
Рис. 7.13. Зависимость удельной обнаружительной
способности D* от длинноволновой границы
спектральной характеристики Хтах при различных
температурах охлаждения фотоприемников
ограничения пороговой чувствительно-
сти ИКС фоновыми флуктуациями (ре-
жим ограничения фоном BLIP) системы
на базе ФКЯ-МПИ обладают преиму-
ществами перед системами на основе
КРТ. Для многих применений ИКС
важно то, что ФКЯ имеют узкую спект-
ральную характеристику, которая мо-
жет менять положение своего макси-
мума (см. §7.6). Эти приемники более
технологичны (методом молекулярной
эпитаксии проще выращивать структу-
ры, образующие ФКЯ); при использо-
вании ФКЯ возможна монолитная кон-
струкция интегральных схем, объеди-
няющих фотоприемник и схему считы-
вания и обработки сигналов на базе
GaAs или GaAs, выращенного на Si. Та-
кие ФПУ обладают лучшей временной
и температурной стабильностью пара-
метров, высокой однородностью эле-
ментов МПИ, хорошей радиационной
стойкостью. В ФКЯ отсутствуют про-
блемы с рассеянием избыточной мощ-
ности, поскольку они являются высоко-
омными фоторезисторами. Учитывая
возможности создания ФПУ на ФКЯ большой площади и достаточно крупного формата
(ФКЯ на базе GaAs/GaAlAs из 640x480 элементов на круглой подложке диаметром
около 76 мм [133]), легко увидеть перспективы получения высокой скорости обработки
сигналов, необходимой, например, для создания оптико-электронных локаторов, даль-
номеров, гетеродинных систем.
Основными принципиальными недостатками ФПЯ-МПИ, работающих в спектраль-
ном диапазоне 8... 14 мкм, является необходимость охлаждения до низких температур
(до 60 К и менее), а также невозможность обеспечить высокую частоту кадров из-за
сравнительно больших времен накопления, необходимых для достижения малых A7'„.
7.5. Современные неохлаждаемые матричные МПИ
159
В [235] проводится сравнение фотоприемников с квантовыми ямами и фотоприем-
ников, основанных на собственной фотопроводимости (КРТ) при низких уровнях фо-
новой освещенности. Применимость того или иного типа МПИ в ИКС можно оценить
с помощью зависимостей удельной обнаружительной способности D от длинновол-
новой границы спектральной характеристики фотоприемника при различных темпе-
ратурах охлаждения ФКЯ на базе и-легированного GaAs/AlGaAs и КРТ-фотодиодов
(рис. 7.13). Для А.тах= 8 мкм удельная обнаружительная способность обоих типов при-
емников примерно одинакова при температуре охлаждения 40 К. По мере роста 2tlliax
становятся очевидными преимущества КРТ. Однако следует учесть, что в диапазоне
А, щах < 12 мкм значения D для КРТ несколько уменьшаются по сравнению с показан-
ными на рис. 7.13 из-за эффекта туннелирования через ловушки в запрещенной зоне
полупроводника, а также в длинноволновом ИК-диапазоне однородность параметров
отдельных элементов МПИ на базе КРТ заметно хуже, чем у ФКЯ.
В [174] проводится сравнение приемников, работающих в диапазоне 3...5 мкм, при ог-
раничении их чувствительности флуктуациями излучения фона, приводящими к темново-
му току с плотностью около 8-10-5 А/см2, при диафрагменном числе объектива К = 2. Пока-
зано, что рабочая температура ФКЯ для этого случая не должна превышать ПО К, InSb-
МПИ - 120 К, обычных KPT-фотодиодных матриц - 145 К, тех же KPT-матриц, изготов-
ленных по технологии I IDVIP™,- 155 К и в отдельных случаях - даже 175 К.
7.5. СОВРЕМЕННЫЕ НЕОХЛАЖДАЕМЫЕ МАТРИЧНЫЕ
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
В последнее десятилетие при создании недорогих ИКС массового применения
четко прослеживается тенденция использовать неохлаждаемые МПИ. В настоящее
время производством микроболометрических МПИ и ИКС на их основе занимается
большое число фирм в России, США, ФРГ, Великобритании, Франции, Японии, Ка-
наде, Швеции, Австралии, Израиле, Китае. Хотя они обладают меньшей чувствитель-
ностью и большей инерционностью по сравнению с охлаждаемыми фотоэлектриче-
скими МПИ, системы с такими приемниками не используют дорогостоящих уст-
ройств охлаждения, имеющих ограниченный срок наработки. По совместимости со
схемами считывания, создаваемыми чаще всего на основе кремниевых технологий,
неохлаждаемые тепловые приемники заметно лучше охлаждаемых фотоэлектриче-
ских МПИ.
Основными типами неохлаждаемых МПИ остаются приемники на базе резистивных
и диэлектрических болометров, иногда называемые просто микроболометрами. Пред-
принимались попытки создать термоэлектрические МПИ (многоэлементные термопа-
ры, использующие эффект Зеебека) формата до 128x128 элементов с размером пиксела
100x100 мкм и ДТП «0,5 К, однако широкого распространения эти приемники не на-
шли. Кроме того, благодаря успехам полупроводниковой технологии возрос интерес к
неохлаждаемым матричным фотонным приемникам, которые хотя и работают только в
160
Г лава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Параметры ФПУ с
Параметр Фирма-изготовитель,
Микроболометр резистивный
U300, «Boeing», США ID ML 073, «Sofradir», Франция SIM 100/150/200, «Lockheed Martin», США U 4000, «DRS Sensors and Targeting Systems, Inc.», США
Приемник
Материал чувствительного слоя Рабочий спектральный диапазон, мкм Формат, пиксел Размер (период) пиксела, мкм Коэффициент заполнения Число бездефектных пикселов, % Эквивалентная шуму разность температур &Тп, мК (при диа- фрагменном числе объектива К) vox 8...14 320x240 51 0,6 >98 <80 (№1) Si 7...14 320x240 45 >0,8 99 80 (*=D Si 8...14 327x245 46,25 0,48 <100 (K = 0,8... 4,0) vox 8...14 320x240 51 27 (*=1)
Схема
Частота кадров 60 50...60 50...60 60
ФПУ в
Тип термостабилизации Диапазон температур эксплуатации, °C ТЭС ТЭС -20...+60 — ТЭС -30...+60
ТЭС - термоэлектрическая стабилизация рабочей температуры
ближнем и средневолновом ИК-диапазонах, но обладают высокой чувствительностью и
часто относительно дешевы в изготовлении.
Нужно отметить, что во многих конструкциях с неохлаждаемыми МПИ присутству-
ет система термостабилизации, обеспечивающая их качественную работу при измене-
нии окружающей температуры, хотя в последние годы проявляется тенденция приме-
нять вместо нее систему калибровки и электронной коррекции параметров схемы счи-
тывания первичной обработки сигналов при изменении температуры МПИ [72, 73].
В табл. 7.7 приводятся параметры современных неохлаждаемых МПИ, изготавли-
ваемых за рубежом и достаточно широко используемых в различных ИКС [72, 73, 88,
95, 105, 135, 136, 258, 259, 272 и др.]. Рассмотрим вкратце некоторые особенности наи-
более распространенных групп таких МПИ.
7.5. Современные неохлаждаемые матричные МПИ
161
неохлаждаемыми МПИ
Таблица 7.7
страна, тип и марка
Микроболометр резистивный Микроболометр ферроэлектрический Микроболометр Фоторезистор
U 6000, «DRS Sensors and Targeting Systems, Inc.», США SERIES 3000, SERIES 2000, «Raytheon», США MERLIN, «ВАЕ Systems», Великобритания ALPHA, «Indigo Systems», США «Litton», США
излучения
vox 8...14 640x480 25,4 27 (*=1) BST 8...14(7...14) 320x240 48,5 0,44 <(50... 150) (X=l) PST 8...12 256x128 56 >99,9 НО (Х=1) 7,5... 13,5 160x128 51 0,65 <100 (X=l,6) PbS 1...3 320x240 30 >99 Z>*=8-1010 (Г=295 К) и ЗЮ” (7^=220 К) Вт‘смГц1/2
считывания
30 30...60 10...75 25...30 60
целом
ТЭС -30...+60 ТЭС 0...+45 -30...+50 ТЭС -30...+50 ТЭС
7.5.1. ПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ РЕЗИСТИВНЫХ МИКРОБОЛОМЕТРОВ
Физические принципы и конструкции современных резистивных болометров описа-
ны в многочисленной литературе [26, 39, 40, 61 и др.]. Излучение, попадающее на бо-
лометр, поглощается и нагревает чувствительный элемент, выполненный из металла
или полупроводника с достаточно большим температурным коэффициентом сопротив-
ления (ТКС) a.R. Изменение сопротивления из-за нагрева преобразуется в напряжение.
У металлов, используемых для изготовления современных болометров, типичное зна-
чение ТКС при комнатной температуре ал = 0,002 К-1, а у полупроводников ал = -0,02 К-1.
Для повышения чувствительности болометра необходимо обеспечить хорошую термо-
изоляцию чувствительного слоя от схемы считывания сигналов.
6 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
162 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
В качестве материала поглотителя излучения матричных болометрических МПИ
(микроболометров) наиболее часто используется тонкая пленка поликристаллической
окиси ванадия VOX, помещенная между двух тонких слоев нитрида кремния, обладаю-
щего хорошими термоизоляционными свойствами (низкой теплопроводностью). Чув-
ствительные элементы соединяются со схемой считывания двумя узкими ножками из
слоев нитрида кремния и нихрома или титана.
Очень часто чувствительный элемент поднимается над поверхностью схемы считы-
вания, на которую наносится отражающий слой, образуя оптический резонатор, на-
строенный на поглощение излучения с длиной волны, в четыре раза большей расстоя-
ния между нижней поверхностью чувствительного элемента и отражающей поверхно-
стью схемы считывания. Обычно такая конструкция, включая схемы считывания и пер-
вичной обработки сигналов с отдельных элементов, помещается в герметичный вакуу-
мированный корпус, снабженный входным окном с пропусканием в заданном спек-
тральном диапазоне, и дополняется термоэлектрической (обычно одноступенчатой)
системой стабилизации рабочей температуры микроболометра и схемы считывания.
Монолитная конструкция микроболометров, т.е. расположение приемников непосред-
ственно на подложке - на схеме считывания, позволяет использовать при их изготовлении
хорошо освоенную технологию интегральных схем, что наряду с отсутствием сложной и
дорогой системы охлаждения заметно снижает стоимость ИКС с микроболометрами.
Малая нелинейность, свойственная микроболометрическим МПИ, по сравнению с
большинством охлаждаемых фотонных МПИ обуславливает сравнительно небольшой
геометрический шум, что иногда позволяет обойтись без специальной системы коррек-
ции неоднородностей отдельных чувствительных элементов. Однако в высококачест-
венных микроболометрах и при большом диапазоне температур наблюдаемых объектов
и фонов коррекция и компенсация этой неоднородности становится обязательной.
Для ИКС на базе микроболометрических резистивных МПИ предел ДГП обусловлен ра-
диационным шумом (см. § 5.4) и тепловым шумом Джонсона электрического сопротивле-
ния пиксела МПИ. Соответствующая этому тепловому шуму составляющая Д7П [39]:
SK^kTRAf^2
" (dMJdT)AmS, ’
где К - диафрагменное число объектива ИКС; к - постоянная Больцмана; Т и R- тем-
пература и сопротивление пиксела МПИ; Д/^у - полоса пропускания частот цепи вклю-
чения пиксела; dMc/dT - температурный контраст (абсолютный) объекта (см. гл.2); Апи -
площадь чувствительного слоя пиксела; Sv - вольтовая чувствительность пиксела (ре-
зистивного болометра), которая определяется как
с ______епи^-^____
v <?(1+4л2А?)1/2’
епи - коэффициент поглощения чувствительного элемента; а = (\!R)dRJdT - темпера-
турный коэффициент сопротивления материала чувствительного элемента; I- ток, про-
7.5. Современные неохлаждаемые матричные МПИ
163
текающий через болометр; G - теплопроводность, характеризующая теплоперенос между
чувствительным элементом и окружающей его средой; тт = C,/G - тепловая постоянная
времени; Ст - теплоемкость чувствительного элемента.
Поскольку в микроболометрическом МПИ чувствительные элементы имеют электри-
ческий, а следовательно, и тепловой контакт с цепями питания и считывания, при расчете
общей ДТП системы необходимо учитывать ее составляющую АДГГО, определяемую теп-
лообменом чувствительного элемента с окружающей средой за счет этого контакта [39]:
ДГ
НТО
4Кг(4кГОцУ
где Д£ = 1/(2тт) - полоса пропускания частот, определяемая тепловой постоянной вре-
мени пиксела тт.
Приведенные формулы указывают возможности повышения чувствительности
микроболометрических МПИ и ФПУ на их основе. Сюда относятся снижение тепло-
проводности между чувствительным элементом и его окружением с одновременным
уменьшением теплоемкости элемента для сохранения малой тепловой постоянной,
т.е. для сохранения быстродействия приемника. Для этого следует уменьшать размер
чувствительного элемента, что одновременно ведет к ослаблению теплообмена эле-
мента с его окружением. Предел такого уменьшения зависит от технологии изготов-
ления ФПУ, в частности от возможности сохранить достаточно большим коэффици-
ент заполнения МПИ, а также от разрешающей способности объектива, строящего
изображение.
При уменьшении площади элемента соответственно уменьшается длина ножек мик-
роболометрического моста, что увеличивает теплопроводность G. Для компенсации
снижения отношения сигнал-шум из-за уменьшения площади элемента достаточно уве-
личить длину ножек и уменьшить их толщину. Можно поступить и иначе: сохранив
длину ножек, поместить их под чувствительный элемент. Но при этом возрастает теп-
ловая постоянная времени Тг. Поэтому целесообразно делать тоньше чувствительный
слой (соответственно уменьшению площади элемента), хотя это и увеличивает шум из-
за тепловой флуктуации.
Уменьшение толщины чувствительного элемента также снижает его теплоемкость.
Однако даже при использовании конструкции оптического резонатора, о которой уже го-
ворилось, толщина чувствительного элемента должна быть достаточной, чтобы обеспе-
чить высокое поглощение падающего на него излучения. Кроме того, уменьшение этой
толщины может привести к росту избыточного 1/f-шума. Уменьшение теплопроводности
контактных ножек увеличивает их электрическое сопротивление. Чтобы это сопротивле-
ние не было заметным балластом для чувствительного слоя, сопротивление последнего
должно быть более 100 кОм [39]. И вообще, чтобы повысить сопротивление микроболо-
метров, в схемах считывания используют планарные полевые транзисторы. Во избежание
конвективного теплообмена микроболометра с окружающей средой его заключают в ва-
куумированный корпус с остаточным давлением не более 2... 10 мТорр [136].
6'
164 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Разработку и совершенствование неохлаждаемых резистивных микроболометров
непрерывно ведет ряд фирм (см. табл. 7.7). Одним из первых высококачественных мик-
роболометров, созданным фирмой «Honeywell» (США) еще в 1991 г., стала матрица
форматом 336x240 пикселов размером 50 мкм с АГ,, < 0,1 К при объективе с диафраг-
менным числом К=2,1 и частоте кадров 30 Гц [258].
Разработка схем электронной стабилизации чувствительности элементов микробо-
лометра при изменении окружающей температуры в диапазоне 15...40°С без термо-
электрических охладителей и коррекции неоднородностей параметров позволила фир-
ме «Boeing» наладить серийный выпуск таких МПИ форматов 320x240 и 640x480 с АТП
менее 35 мК [73].
Широкое распространение в различных ИКС получили неохлаждаемые микроболо-
метрические ФПУ на базе VOX, выпускаемые фирмой «DRS Sensors and Targeting Sys-
tems, Inc.» (США). Матрица форматом 320*240 пикселов размером 51 мкм совместима
с телевизионным стандартом FK = 60 Гц. Она заключена в вакуумированный корпус с
термоэлектрической системой стабилизации рабочей температуры.
В 2001 г. компании «Raytheon» удалось создать модуль SB-212 на базе микроболо-
метра форматом 320x240 пикселов с периодом 25 мкм, ДГП < 50 мК при К= \ , потреб-
ляемой мощностью 120 мВт [174]. Компания успешно работает над созданием МПИ
того же формата и более (640x512), при том же периоде пикселов, но с АТП < 30 мК.
Динамический диапазон температур просматриваемых сцен составит 100 К при номи-
нальной температуре 25°С. Микроболометрическая матрица U4000 форматом 320x240
объединена в общую конструкцию с электронным блоком, который осуществляет ком-
пенсацию напряжений смещения (с разрешением 6 бит) на пикселах ФПУ для сниже-
ния геометрического шума. С помощью того же блока в 100 раз подавляется дрейф
внешнего источника напряжения, а коэффициент усиления изменяется в диапазоне 6:1.
Для прецизионного измерения температуры матрицы используется специальный дат-
чик, управляющий термоэлектрическим стабилизатором температуры.
В ФПУ U6000 формата 640*480 мостовая схема включения подавляет изменения
напряжения смещения и шум источника этого напряжения, а также выполняет первич-
ную компенсацию температурного дрейфа. Уменьшение геометрического шума за счет
коррекции изменяющихся с температурой сцены пьедесталов в диапазоне 63:1 позво-
лило заметно повысить чувствительность и температурное разрешение ФПУ (на
30...40%). Размер пиксела U6000 доведен до 25,4 мкм без снижения чувствительности.
Время накопления можно выбирать в диапазоне 0...52 мс, что обеспечивает частоту
кадров 30 Гц. Контроль температуры в диапазоне -ЗО...+6О°С ведется с помоЩью шес-
ти независимых встроенных в конструкцию датчиков температуры. Как и в матрице
U4000, в ФПУ U6000 предусмотрены выбор напряжений смещения и компенсация их
изменения с разрешением 6 бит, а также коэффициентов усиления в диапазоне 6:1.
Электронный блок имеет возможность работы с 5- или 3,5-вольтовыми логическими
схемами для снижения потребляемой мощности.
Сообщалось, что фирма работает над созданием неохлаждаемых матриц U7000
форматом 320x240 пикселов с размером 25,4 мкм и тем же электронным интерфейсом,
7.5. Современные нсохлаждасмые матричные МПИ
165
что и у матриц U6000. Такие матрицы позволят уменьшить габаритные размеры опти-
ческой системы.
Нужно иметь в виду, что сегодня эти приемники пока еще уступают охлаждаемым
фотонным МПИ по чувствительности, геометрооптическому разрешению (размерам
пикселов) и быстродействию. Однако развитие микроболометрических МПИ идет
очень быстрыми темпами, и их качество за последние годы улучшилось в 5... 10 раз.
Так, в 2001 г. появилось сообщение о разработке компанией «Raytheon» микроболо-
метров форматом 320х240 пикселов с периодом 25 мкм и близкой к 10 мс тепловой по-
стоянной времени, которые по чувствительности не уступают микроболометрам того
же формата, но с периодом пикселов 50 мкм. Среднее значение ДТП у этих МПИ близко
к 35 мК при К = 1 и FK = 30 Гц, а при периоде пикселов 50 мкм - даже к 10 мК (с тепло-
вой постоянной времени около 40 мс). Неоднородность чувствительности, оцениваемая
отношением среднего квадратического разброса к среднему значению, не превышает
4% (без коррекции чувствительностей отдельных элементов) [211].
Достоинствами микроболометров на основе аморфного кремния являются: полная
совместимость с технологией кремниевых КМОП интегральных схем считывания и об-
работки сигналов; возможность создавать тонкие мембраны с короткими ножками, об-
ладающие высокой механической прочностью и стойкостью к вибрациям; отсутствие
фазовых переходов в пределах рабочего диапазона температур, в результате чего со-
противление элементов монотонно уменьшается при увеличении температуры и появ-
ляется возможность сравнительно просто избавиться от системы охлаждения, заменяя
ее специальной электронной схемой в составе ФПУ.
Микроболометры на базе аморфного кремния производятся фирмой «Sofradir»
(Франция). Приемники форматом 320х240 пикселов с размером 45 мкм имеют
ДГП —100 мК (при К = \, температуре фона 295 К и частоте кадров 60 Гц), вольтовую
чувствительность около 4,5 мВ/K , коэффициент заполнения более 80% и неоднород-
ность чувствительности 3% [260].
Компания «Raytheon Commercial Infrared» (США) сообщает о разработке сравни-
тельно дешевого микроболометра умеренного формата (160х 120) с размером пиксела
46,8 мкм на основе аморфного кремния. Микроболометр предназначен для ИКС, ис-
пользуемой в многочисленных гражданских и военных применениях [123]. Коэффици-
ент заполнения микроболометра - 0,68; ДГП = 100...150 мК при К= 1,0.
Фирмы «LETI» и «ULIS» (Франция) успешно разрабатывают промышленные образ-
цы сравнительно недорогих микроболометров на основе аморфного кремния [259]. Ти-
пичные конструкции имеют формат 320х240 с шагом пикселов 45 мкм, коэффициент
заполнения более 80%, неоднородность чувствительности без коррекции менее 5%,
чувствительность 6 мВ/K, значение А 7’п порядка 70 мК (при частоте кадров 50 Гц, К= 1,
температуре 295). Особенностью стандартных микроболометров UL 01 1 является вы-
сокая механическая прочность и стойкость к вибрациям, что позволяет работать при
частоте кадров до 60 Гц без искажения изображений движущихся объектов.
Для лабораторных образцов микроболометров путем уменьшения тепловой посто-
янной времени и увеличения теплового сопротивления было достигнуто уменьшение
166 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
уровня шума и, как следствие, пятикратное увеличение отношения сигнал-шум. При
шаге пикселов 35 мкм для матриц форматов 160x120 и 384x288 значение Л7П было до-
ведено до 30 мК, а частота кадров - до 100 Гц. Особенностью разработанных ФПУ яв-
ляется индивидуальное вычитание тока (скимммирование) для каждого пиксела и ис-
пользование коэффициентов коррекции неоднородности, хранящихся во внутренней
памяти, размещенной в кристалле схемы считывания. Автоматический режим коррек-
ции может быть отключен, при этом включается режим внешнего управления, в кото-
ром коэффициенты коррекции каждого пиксела сохраняются во внешней памяти. Вы-
вод сигнала возможен в аналоговом и цифровом виде (после преобразования во встро-
енном в кристалл схемы считывания 12-тиразрядном АЦП).
Дешевые неохлаждаемые монолитные болометрические МПИ на базе поликристал-
лического кремния, разработанные компанией «Mitsubishi Electric Corporation» (Япо-
ния), имеют формат 160х 120 пикселов размером 80х80 мкм и коэффициент заполнения
41%.
Фирма «Sanders IR Imaging Systems, a Lockheed Martin Company» (CHIA) создала
микроболометры на базе VOX форматов 160x120 и 320х240 пикселов размером 46 мкм,
имеющие А7’п>26 мК (К= 1, FK= 30 Гц). В сочетании с аналого-цифровым преобразова-
телем на 14 бит такой МПИ потребляет мощность менее 250 мВт [201].
Прогнозируемое увеличение формата неохлаждаемых резистивных микроболомет-
рических матриц - до 640x480 элементов (с периодом их расположения 28...30 мкм)
при А7п « 20 мК для К = 1. В перспективе ожидается создание резистивных микробо-
лометров самых разнообразных форматов - как умеренных, так и очень больших (от
120x160 до 1280x1024), с размерами пикселов 15 мкм, АТП « 10...20 мК при К = 1, ди-
намическим диапазоном принимаемых сигналов 10 000 [95,205].
В последние годы активно ведется поиск новых материалов для изготовления мик-
роболометров [39, 72, 73, 94, 95, 269]. Продолжаются попытки повысить ТКС пленок
VOX до 0,05 К-1 и расширить рабочий линейный диапазон температур, одновременно
снижая уровень избыточного 1^шума. Расширение рабочего линейного диапазона
особенно важно для компенсации нестабильности чувствительности пикселов микро-
болометра электронными средствами без применения термоэлектрической системы
стабилизации температуры. Последнее рассматривается как один из наиболее перспек-
тивных путей уменьшения массы и стоимости ИКС с микроболометрами.
Для создания дешевых микроболометрических МПИ, работающих при комнатной
температуре без специальных систем контроля и стабилизации рабочей температуры,
предлагается [63, 94, 269] использовать полупроводниковые тонкие аморфные пленки
YBaCuO. Температурный коэффициент сопротивления этих пленок достигает 4%/К в
диапазоне температур от 250 до 320 К. Технология изготовления аморфных пленок
легко вписывается в существующую технологию изготовления КМОП-структур без
дополнительных «высокотемпературных» операций. На поверхность слоя 8Юг (мем-
браны) методом фотолитографии наносятся сначала буферный слой MgO, а затем бо-
лометрический слой YBaCuO и золотые контакты.
7.5. Современные неохлаждаемые матричные МПИ
167
Изготовленные на основе пленок YbaCuO микроболометры формата 320*240 пик-
селов размером 40 мкм имели Л7„=8О мК при К = 1, коэффициент заполнения 0,9 и
чувствительность 6,8"105 В/Вт [269].
Ожидается улучшение параметров микроболометров (чувствительности и D ) путем
уменьшения теплопроводности между чувствительным слоем и подложкой за счет ис-
пользования тонких пленок легированного аморфного кремния a-Si, поликристалличе-
ских пленок силицида германия и соединений менее теплопроводящих металлов [39,
95]. Разработка схем считывания на базе КМОП-структур, использующих планарные
полевые транзисторы, позволила применять для изготовления микроболометров высо-
коомные материалы, в частности пленки легированного аморфного кремния толщиной
порядка 0,1 мкм с ТКС = 0,025...0,027 К”1. В [87] указывается, что эти пленки техноло-
гичнее и дешевле пленок VOX.
В [250] сообщается о работах по созданию неохлаждаемого микроболометра, ис-
пользующего термоионную эмиссию в барьере Шотки силицид-кремний. Технология
изготовления такого микроболометра аналогична используемой при изготовлении ре-
зистивного микроболометра на базе VOX. Спектральная характеристика этих неселек-
тивных МПИ может перекрывать широкий диапазон - от 8 до 14 мкм и более. При тем-
пературе 300 К их ТКС » 5%/К, что более, чем в два раза, превышает ТКС резистив-
ных болометров. Эти приемники свободны от 1^шума, а геометрический шум, обу-
словленный схемой считывания и совершенством литографической технологии изго-
товления теплоизолирующей структуры, выше аналогичного шума микроболометров
других типов. Разработчики микроболометров на базе барьера Шотки рассчитывают
достичь ДГп « 60 мК при К = 1, размере пикселов порядка 25 мкм, частоте кадров 60 Гц
и рабочей температуре 290 К.
В настоящее время совершенствование конструкций микроболометров ведется по
самым различным направлениям, описанным, в частности, в [39]. Многие разработчики
ИКС считают, что решение важнейшей проблемы - резкого снижения стоимости этих
систем, от чего зависит их широкое внедрение во многие отрасли науки и техники, ле-
жит прежде всего на пути существенного улучшения и создания новых именно микро-
болометрических МПИ.
7.5.2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ (ФЕРРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ)
МИКРОБОЛОМЕТРЫ
В начале 90-х годов были созданы первые образцы тепловых МПИ на основе ди-
электрических болометров, использующих в качестве чувствительных элементов фер-
роэлектрические конденсаторы [77, 169, 213, 258, 272 и др.]. Механизм работы диэлек-
трического болометра заключается в следующем. При изменении температуры такого
конденсатора изменяется его диэлектрическая постоянная е, а вместе с ней и емкость.
При приложении к конденсатору напряжения заряд, поступающий с него на схему счи-
тывания сигнала, изменяется, т.е. у всех ферроэлектриков обнаруживается пироэлек-
168
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
трическое свойство - зависимость спонтанной поляризации Ps от температуры Т, ха-
рактеризуемой пироэлектрическим коэффициентом
P=SPjbT.
Заряд, возникающий на чувствительном слое диэлектрического болометра, пропор-
ционален р и скорости изменения температуры этого слоя. Поэтому для регистрации
неподвижных объектов и сцен с постоянной температурой входной сигнал (поток излу-
чения) приходится модулировать, т.е. периодически прерывать с частотой кадров. На-
личие обтюратора (модулятора) усложняет конструкцию ИКС с описываемыми прием-
никами. Однако при этом появляется возможность отфильтровывать низкочастотные
шумы в электронном тракте системы.
При некоторой температуре (в точке Кюри) пироэлектрики теряют свои сегнето-
электрические свойства, т.е. р снижается до нуля и пироэлектрический эффект исчеза-
ет. Вблизи точки Кюри изменение р и диэлектрической постоянной е максимально при
изменении температуры. Для обеспечения максимальной чувствительности, пропор-
циональной производной диэлектрической постоянной по температуре, при изменении
окружающей температуры необходимо стабилизировать температуру приемника, для
чего обычно используют одноступенчатый термоэлектрический нагреватель или холо-
дильник.
Чтобы увеличить чувствительность болометра, нужно стремиться к увеличению пи-
роэлектрического коэффициента р и уменьшению диэлектрической постоянной е. К
сожалению, материалы с большим р обычно имеют высокое значение е. Для изготовле-
ния ферроэлектрических конденсаторов наиболее употребительны BST (Ва,_х8гхТЮз),
PZT (цирконат титанат свинца), PST (скандиум танталат свинца).
Конструкция тонкопленочного ферроэлектрического микроболометра во многом
похожа на конструкцию резистивного микроболометра. Пленка ферроэлектрика распо-
лагается между двумя электродами. Для увеличения поглощения падающего излучения
используют резонаторные оптические структуры, формируемые или внутри ферроэлек-
трика, или в пространстве между чувствительным элементом и схемой считывания. В
первом случае оба электрода должны быть отражателями: верхний - полупрозрачным,
а нижний - зеркальным. При этом толщина ферроэлектрика для поглощения излучения
в диапазоне длин волн 10... 12 мкм должна быть порядка 1 мкм. Во втором случае ли-
цевой электрод выполняется полупрозрачным, а тыльный - прозрачным. Зеркальный
отражающий слой наносится на поверхность схемы считывания под каждым чувстви-
тельным элементом. Это требует промежутка между чувствительным элементом и схе-
мой считывания порядка 2 мкм.
Как и в других МПИ, в ферроэлектрических микроболометрах необходимо одно-
временно обеспечить электрическую связь между чувствительным элементом и цепью
считывания сигналов, а также тепловую изоляцию элемента. Емкость приемника обыч-
но не превышает нескольких пикофарад, так что электрическое сопротивление ножек
мостиковой конструкции может быть очень небольшим. Это позволяет использовать
тонкие, слабо проводящие материалы электродов для уменьшения теплоемкости и теп-
7.5. Современные неохлаждаемые матричные МПИ
169
лопроводности. Поскольку ферроэлектрическая пленка - «самоподдерживающая» кон-
струкция, именно она и определяет теплоемкость чувствительного элемента, а при ис-
пользовании прозрачных оксидных электродов доминирует в отношении теплопровод-
ности.
Благодаря отсутствию перекрестных электрических связей между чувствительными
элементами и хорошей тепловой развязке такие МПИ позволяют обеспечить высокое
пространственное разрешение, потребляя меньшую мощность, чем резистивные.
По гибридной технологии были созданы диэлектрические микроболометры форма-
тов 100x100 с размером пикселов 100 мкм, 256х128 с размером пикселов 56 мкм и
384x288 с размером пикселов 40 мкм. Их интегральные схемы считывания имели пло-
щадь 15,3x13,4; 16,7x12,4 и 19,7x16,9 мм2, а ДГП = 0,087; 0,09 и 0,13 К, соответственно.
При изображении стандартного тест-объекта на частоте Найквиста контраст соответст-
вовал 65; 50 и 43% своего максимального значения, равного единице на нулевой про-
странственной частоте [258].
В настоящее время наряду с распространенной гибридной технологией изготовле-
ния ФПУ на диэлектрических микроболометрах, при которой элементы чувствительно-
го слоя соединяются со схемой считывания сигналов через отдельные для каждого эле-
мента соединительные контакты (столбики), развивается новая интегральная техноло-
гия - нанесение тонкопленочного ферроэлектрического материала непосредственно на
кремниевую интегральную схему считывания сигналов. Между чувствительным эле-
ментом и подложкой помещается специальный «жертвенный» слой, который затем
удаляется, оставляя лишь соединительные микромосты. Отсутствие керамической под-
ложки, которую нужно полировать, размечать и разрезать на отдельные элементы, а
также операции соединения чувствительных элементов с элементами схемы считыва-
ния упрощают технологию изготовления МПИ, что существенно снижает его стои-
мость. Микромостовая конструкция обеспечивает хорошую тепловую изоляцию эле-
ментов МПИ, что улучшает его параметры. Такие микроболометры на ферроэлектри-
ках формата 320x240, изготовленные фирмой «Raytheon», при размерах пиксела
48,5 мкм обеспечивают ATn « 0,04...0,08 К. В ближайшее время предполагается созда-
ние диэлектрических микроболометров формата 640х480 пикселов размером порядка
25 мкм для работы в спектральном диапазоне 7,5... 13,0 мкм [258].
7.5.3. ФОТОННЫЕ НЕОХЛАЖДАЕМЫЕ МАТРИЧНЫЕ
ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Для работы в ближнем ИК-диапазоне оптического спектра успешно разрабатывают-
ся матричные МПИ на основе арсенида индия и галлия (InGaAs). В [118] сообщается о
разработке гибридной конструкции ФПУ, чувствительные элементы которого пред-
ставляют собой рш-фотодиоды из In53Ga47As, соединенные с кремниевой интегральной
схемой считывания индиевыми столбиками. Диапазон спектральной чувствительно-
сти таких МПИ - 0,9... 1,7 мкм. При комнатной температуре удельная обнаружитель-
170 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
ная способность фотодиодов D превышает 5-1012 Вт’-смТц1'2 со средним квадрати-
ческим разбросом 1,2-1012 Вт-1-см-Гц1/2, причем основной составляющей шума явля-
ется шум схемы считывания, оцениваемый зарядом в 360 электронов. При охлажде-
нии приемника до 250 К удельная обнаружительная способность возрастала до
1015 Вт-,-смТц ,/2. Формат приемников, ранее составлявший 128х 128 и 320x240 эле-
ментов, к 2000 г. был доведен до 640x512 пикселов размером 25 мкм. Общий размер
такого ФПУ равен 16x16 мм.
Как считают некоторые разработчики, альтернативой достаточно дорогим МПИ из
InGaAs, как и охлаждаемым приемникам из InSb и КРТ или микроболометрам, могут
быть сравнительно дешевые фоторезисторные неохлаждаемые приемники из солей
свинца, чувствительные в ближней (PbS) и средневолновой (PbSe) частях ИК-
диапазона. Компания «Litton Electro-Optical Systems» сообщила о разработке ФПУ на
базе PbS и PbSe и ИКС «смотрящего» типа на их основе с форматом МПИ 320x240
пикселов размером 30 мкм [81]. Неохлаждаемые МПИ на базе фоторезисторов из PbS
работают в диапазоне длин волн излучения 1...3 мкм, а из PbSe - в диапазоне
З...5мкм. Изготовителям этих приемников удалось преодолеть трудности сочетания
чувствительных элементов с КМОП-схемой считывания, обусловленные различием в
коэффициентах температурного расширения солей свинца и кремния, и создать гиб-
ридную конструкцию ФПУ, которая для PbS характеризуется D, равной 8-1010 (при
комнатной температуре) и 3-Ю11 (для Т= 220 К) Вт ’-смТц 1/2. Постоянная времени фо-
торезисторов из PbS составляет 0,2 мс при Т= 295 К и 1 мс при Т = 220 К, что при так-
товой частоте 6,4 МГц и динамическом диапазоне принимаемых сигналов 69 дБ обес-
печивает частоту кадров 60 Гц и мощность рассеивания 200 мВт.
Для ФПУ на базе PbS и PbSe характерен большой ток в цепи питания фоторезистора
(около 500 нА) при фототоке сигнала, изменяющемся в пределах нескольких наноам-
пер. Поэтому для выделения слабого сигнала переменного тока с помощью модуляции
в конструкцию ИКС с такими ФПУ включается механический модулятор (обтюратор)
приходящего излучения, поверхность которого, обращенная к ФПУ, используется как
эталонный излучатель. Сигнал такого излучателя служит для автоматической под-
стройки нуля, относительно которого измеряется фототок.
Хотя принципиально ФПУ на базе PbS и PbSe могут работать без охлаждения, они
заключаются в вакуумированный дьюар, размещаемый на термоохлаждающем устрой-
стве, что заметно улучшает параметры ФПУ.
7.5.4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТРИЧНЫЕ МПИ
В последние годы заметно оживился интерес к таким неохлаждаемым приемникам,
как термоэлементы (термопары), которые исторически были первыми неселективными
приемниками излучения. Это обусловлено необходимостью работать в очень широком
спектральном диапазоне (с граничной длиной волны 100 мкм и более) для наблюдения
объектов, у которых температуры малы (100 К и менее). Такие задачи ставятся, напри-
7.5. Современные неохлаждаемые матричные МПИ
171
мер, при создании аппаратуры для исследования Плутона и других планет и небесных
тел. Термоэлементы обладают хорошей линейностью рабочих (энергетических) харак-
теристик, не требуют периодического перекрывания (обтюрации) падающего на них
излучения, как пироэлектрические приемники, работают в широком диапазоне темпе-
ратур практически без термостабилизации, обладают достаточно высокой удельной об-
наружительной способностью D . Им не нужны источники питания, что делает 1/^-шум
пренебрежимо малым и ведет к отсутствию пьедесталов напряжений в снимаемых с их
выходов сигналов. К однородности материалов, из которых изготавливаются термо-
элементы, предъявляются не столь жесткие требования, как в микроболометрах.
В [121] описываются матричные МПИ на базе термоэлементов из комбинации Bi-
Sb-Te, созданные в Центре космических микроэлектронных технологий Калифорний-
ского технологического института. Эти МПИ с одним мультиплексируемым аналоговым
выходом имеют формат 128x128 с размером пикселов 100 мкм, D* = 2-108 Вт ’-смТц1'2
и постоянную времени 4 мс. Ожидается, что значение £>* будет доведено до 109Вт-1-смТц1/2,
а сопротивление приемника-до 100 кОм. Мощность рассеяния одного пиксела составит
0,6 мкВт.
В противоположность микроболометрам, где для двумерного считывания сигналов
требуется лишь один транзисторный ключ, в МПИ на термоэлементах для обеспечения
высокого значения отношения сигнал-шум требуется усиление и накопление сигнала
на уровне отдельного пиксела. Поскольку термоэлемент создает постоянный ток, a l/f-
шум может быть сведен к минимуму при высоком входном импедансе схемы считыва-
ния (т.е. никакой ток не протекает через приемник), для снижения общего уровня шума
сопротивления приемника до уровня шума Джонсона и сведения к минимуму 1//:шума
схемы считывания к каждому пикселу КМОП-структуры подключается стабилизиро-
ванный прерыватель-усилитель (модулятор), демодулятор и накопитель. В устройстве,
описанном в [121], постоянный сигнал, снимаемый с отдельного термоэлемента, пре-
рывается с частотой порядка 50 кГц, на которой 1//-шум усилителя мал. После усиле-
ния, демодуляции и интегрирования на уровне пиксела сигналы через мультиплексор
поступают на аналоговый видеовыход. Общая мощность рассеяния устройства формата
128x128 составляет 20 мВт при мощности рассеяния одного пиксела 1 мкВт.
Невысокая стоимость термоэлектрических МПИ стимулирует их применение при
массовом использовании ИКС. Так, в [140] сообщалось о разработке МПИ формата
48x32 пикселов размером 190 мкм для оборудования автомобилей компании «Nissan»
ИКС на их основе (см. п. 14.3.2).
7.5.5. МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЕ ПРИЕМНИКИ
НА БИМОРФНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ С ОПТИЧЕСКИМ СЧИТЫВАНИЕМ
И МИКРОКОНСОЛЬНЫЕ ЕМКОСТНЫЕ ПРИЕМНИКИ
В последние годы появились сведения о разработках принципиально новых неохла-
ждаемых МПИ на биморфных элементах с оптическим считыванием (МПИБЭОС) и
систем на их основе [154, 216].
172
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Считывающее
Отраженное видимое видимое излучение
Рис. 7.14. Устройство одного пиксела МПИ с
оптическим считыванием [152]
Поперечное сечение одного из пикселов такого МПИЭОС показано на рис. 7.14.
Часть ИК-излучения, пройдя через пленку 4, отражается и поглощается в резонаторе,
образуемом пленкой 4 и отражателем 5. Подбирая толщину воздушного промежутка
между 4 и 5, можно обеспечить полосу поглощения такого оптического резонатора с
центром на длине волны, в 4 раза боль-
шей, чем толщина промежутка. Из-за по-
глощения излучения происходит нагрев
биморфа 3, состоящего из двух тонких
пленок пьезоэлектрических материалов с
различными коэффициентами теплового
расширения. Ножка 2 термически изоли-
рует биморф и другие части чувствитель-
ного элемента от подложки 1. В конструк-
ции, описанной в [154], ножка длиной 86
мкм изготавливалась из пленки SiN тол-
щиной 2800 А. Биморф длиной 57 мкм со-
стоял из пленки А1 толщиной 1000 А и
пленки SiN толщиной 2800 А. Погло-
щающая пленка 4 изготавливалась также
из SiN, а отражающая пленка 5 - из А1, обладающего хорошей отражательной способ-
ностью как в видимой, так и в ИК-частях спектра. Для поглощения излучения в области
около 10 мкм толщина промежутка между 4 и 5 выбиралась близкой к 2,7 мкм.
Попадая на чувствительный элемент, ИК-излучение нагревает последний, в резуль-
тате меняется кривизна отражателя 5. Если подсветить его видимым излучением с на-
ружной стороны, то, применяя различные схемы и способы оптического считывания
(интерференционные, поляризационные, фазово-разностные, конфокальные и др.),
можно визуализировать ИК-изображение, поступающее на вход всего МПИ.
Авторами [154] при исследовании такого МПИ формата 296x194 пикселов размером
55x55 мкм был выбран метод визуализации с помощью точечных отверстий (диафрагм
малых размеров). Структурная схема, реализующая этот метод, приведена на рис. 7.15.
ИК-изображение формируется объективом 1 на чувствительном (поглощающем) слое
МПИ 2. Зеркальный (отражающий) слой МПИ подсвечивается светодиодом 6 и объек-
тивом 3. Свет от светодиода 6 через первую «точечную» (диаметром 2 мм) диафрагму
4, расположенную в фокальной плоскости объектива 3, равномерно освещает всю зер-
кальную поверхность МПИ. Каждый элемент этой поверхности (пиксел) имеет наклон,
соответствующий температуре пиксела поглощающего слоя МПИ. Лучи, отраженные от
зеркальных пикселов, пройдя через объектив 3, формируют изображения в виде световых
пятен вблизи второй «точечной» диафрагмы 5. Число таких пятен соответствует числу
пикселов МПИ. Лучи, образующие эти пятна и прошедшие через диафрагму 5, объективом
7 собираются на приемник системы регистрации видимого изображения 8, которым в
экспериментах, описанных в [154], служила ПЗС-камера. Вместо нее можно использо-
вать другие регистрирующие устройства, в том числе и глаз, вооруженный окуляром.
7.5. Современные неохлаждаемые матричные МПИ
173
Рис. 7.15. Структурная схема оптического
считывания [152].
Рис. 7.16. Схема работы микроконсольного
емкостного приемника
При образовании на чувствительном
слое МПИ изображения отдельные пятна,
соответствующие пикселам приемника,
из-за разных углов наклона отражателей
занимают различные положения и по-
разному перекрываются второй точечной
диафрагмой. Поэтому потоки, отражаемые
отдельными пикселами, после прохожде-
ния этой диафрагмы также различаются.
На чувствительном слое ПЗС в видимой области спектра строится изображение, соот-
ветствующее ИК-изображению на чувствительном слое МПИБЭОС. В экспериментальной
установке, описанной в [154], использовался светодиод зеленого свечения (X = 525 нм).
Объектив 3 (рис. 7.15) имел фокусное расстояние 50 мм и диафрагменное число К= 1,4,
а объектив 2 - 55 мм и К = 2,8. Диаметры диафрагм 4 и 5 были равны 2 мм. Потоки,
пройдя диафрагму 5, изменялись почти прямо пропорционально углу наклона зеркаль-
ного пикселаМПИ в диапазоне 20...90% максимального значения потока, проходящего
через эту диафрагму при нулевом наклоне. При коэффициенте поглощения излучения
0,63 крутизна зависимости угла наклона зеркала от температуры пиксела МПИ соста-
вила -1,8-10“3 угл.град/К. Чувствительность всей системы, определяемая изменением
напряжения на выходе ПЗС при изменении температуры черного тела, по которому она
калибровалась, в диапазоне 285...335 К
была постоянной. При увеличении коэф-
фициента поглощения до 0,9 она может
составить -4,44 О3 угл.град/К.
Компания «Sarcon Microsystems, Inc.»
(США) сообщила по Интернету о новом
МПИ неохлаждаемого типа - микрокон-
сольном емкостном приемнике и ИК-
камере на его основе. Схема работы од-
ного элемента такого МПИ показана на
рис. 7.16. Основу конструкции составляют
три тонких пластины: 1 — нижняя опорная,
2 - средняя и 3 - упруго закрепленная
микроконсоль, на которую попадает излу-
чение. Емкость CR между жестко закреп-
ленными пластинами 1 и 2 в процессе ра-
боты приемника остается постоянной. Ем-
кость Cs между пластинами 2 и 3 при нагреве последней меняется в зависимости от ее
изгиба, что нарушает баланс между CR и Cs и вызывает изменение сигнала, снимаемого
с пластины 2. Для гашения возникающих в такой системе механических колебаний ис-
пользуется специальная резонансная цепь с временем затухания порядка 5 мс, а на пла-
стины 1 и 3 подается напряжение питания в виде импульсов, равных по амплитуде, но
174
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
противоположных по знаку. Конструкция снабжена термоэлектрической системой ста-
билизации температуры и заключена в вакуумированный дьюар. Для периодического
перекрывания изображения перед таким МПИ помещается затвор, которым управляет
микропроцессор, одновременно управляющий соответствующим приводом объектива и
контролирующий постоянство фокусировки.
Сообщается, что при расстояниях между пластинами порядка 0,5 мкм крутизна из-
менения прогиба составляет 0,12 мкм/К в диапазоне температур 2О...4О°С, что соответ-
ствует изменению чувствительности (разбалансу емкостей) в 24% /К.
Как показали испытания описанного МПИ, его чувствительность (температурное
разрешение) на порядок выше, чем у всех других неохлаждаемых приемников, и равна
чувствительности охлаждаемых фотонных приемников (ДГП » 3 мК). Это позволяет
вдвое уменьшить размеры пикселов, например с 50 до 20...30 мкм, и тем самым повы-
сить качество получаемого изображения и временное разрешение для движущихся объ-
ектов, увеличить динамический диапазон принимаемых сигналов до 105 и более, что
соответствует разрешению 16... 17 бит.
Сегодня созданы образцы ИКС на таких МПИ формата 320x240. Ожидается, что в
следующем их поколении при той же стоимости изготовления, что и сегодня, формат
достигнет 640x480 пикселов.
7.5.6. СРАВНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ НЕОХЛАЖДАЕМЫХ
МАТРИЧНЫХ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
Неохлаждаемые приемники, как и охлаждаемые МПИ, следует сравнивать, учиты-
вая параметры и характеристики не только МПИ и ФПУ, в состав которых они входят,
но и всей ИКС, а также условия ее эксплуатации. Это особенно наглядно проявляется при
сопоставлении резистивных и диэлектрических микроболометров - основных типов
неохлаждаемых МПИ. В последние годы чувствительность таких микроболометров
приближается к чувствительности фотонных МПИ. К основным достоинствам рези-
стивных микроболометров и ИКС на их базе относится отсутствие затвора-обтюратора,
периодически прерывающего поступающий поток. Для ИКС на базе диэлектрических
микроболометров, использующих пироэлектрический эффект, а также на базе МПИ из
PbS и PbSe, такой обтюратор необходим, что усложняет конструкцию системы и
уменьшает ее надежность.
Динамический диапазон линейности сигналов, снимаемых с выхода приемника, у ре-
зистивных микроболометров значительно больше, чем у диэлектрических. Это упрощает
коррекцию неоднородности отдельных чувствительных элементов, особенно при изме-
нении потока излучения, попадающего на приемник. Последнее весьма полезно в случае
так называемого радиометрического режима ИКС, когда должны проводиться измерения
температур наблюдаемых объектов или излучаемых ими потоков.
Как уже отмечалось, энергопотребление меньше у ФПУ на диэлектрических микро-
болометрах.
7.6. Двухдиапазонные МПИ
175
Некоторые исследователи считают, что если возможности повышения качества со-
временных диэлектрических микроболометров (уменьшение АГП) практически исчер-
паны, то совершенствование резистивных микроболометров имеет большие перспекти-
вы, прежде всего за счет использования новых материалов, снижения шумов и улучше-
ния конструкции ФПУ, применения схем электронной коррекции нестабильности па-
раметров и нелинейности характеристик чувствительных элементов, что позволит отка-
заться от системы термостабилизации ФПУ.
Сравнивая микроболометрические МПИ и неохлаждаемые фотонные МПИ, нужно
отметить, что, судя по публикациям, последние находятся пока на стадии опытных раз-
работок, в то время как микроболометры выпускаются серийно. Поэтому такое досто-
инство неохлаждаемых МПИ на базе PbS и PbSe, как дешевизна материала чувстви-
тельного слоя, пока не может быть отнесено к существенным преимуществам этого ти-
па МПИ и ФПУ на их основе. При этом, конечно, следует помнить и об ограниченном
спектральном рабочем диапазоне фотонных неохлаждаемых МПИ.
7.6. ДВУХДИАПАЗОННЫЕ МАТРИЧНЫЕ
ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
В последние годы появились многочисленные публикации [52, 74, 91, 126, 127, 163,
170, 233, 255, 277 и др.], в которых приводится информация о разработках и исследова-
ниях ОЭС, работающих одновременно в видимом или ближнем ИК- и в средневолно-
вом (3...5 мкм) или длинноволновом (8... 14 мкм) ПК-диапазонах. Приемники, рабо-
тающие в двух или более спектральных диапазонах, часто называют двух- и много-
цветными.
В ИКС с такими приемниками очень важно четко разделять рабочие спектральные
диапазоны, в которых они работают, т.е. не допускать так называемых спектральных
перекрестных связей. В системах с двумя или более ФПУ, каждое из которых работает
в своем спектральном диапазоне и конструктивно отделено от других путем примене-
ния полосовых оптических фильтров, такое разделение достигается сравнительно про-
сто. Однако, в ФПУ с совмещением в одной конструкции приемников, работающих в
различных спектральных диапазонах, предотвращение наложения их спектральных ха-
рактеристик часто составляет серьезную проблему.
Разделение спектральных рабочих диапазонов в одном ФПУ может быть осуществ-
лено различными способами. Возможно разделение площади чувствительного слоя на
отдельные участки, принимающие излучение в различных спектральных диапазонах.
Такой способ спектрального разделения «по площади» сложен в технологическом от-
ношении, обладает рядом других недостатков и поэтому используется редко. В на-
стоящее время разделение на отдельные спектральные каналы осуществляется пре-
имущественно «по глубине», а не «по площади», т.е. путем создания двух- и много-
слойных фотоприемных полупроводниковых структур, отдельные слои которых поглоща-
ют излучение в различных спектральных диапазонах.
176
Г лава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
На рис. 7.17 показана схема работы одного пиксела двухдиапазонного фотовольтиче-
ского МПИ, описанного в [277]. Излучение, проходящее через подложку, на которую ме-
тодом эпитаксии последовательно наносятся несколько слоев КРТ, поступает сначала на п-
слой КФД, в котором оно поглощается в диапазоне 3...5 мкм. Затем, пройдя через слой р-
типа из Gaxhii.xAsyPi.y, в слое ДФД поглощается составляющая оптического сигнала в диа-
пазоне 6... 10 мкм.
Такая схема может работать в режиме одновременного (рис. 7.17,а) или последова-
тельного (рис. 7.17,6) считывания сигнала. В первом случае в составе пиксела схемы
считывания могут находиться две раздельные ячейки (накопительные емкости, источ-
ники напряжения смещения, предусилители и др.), работающие одновременно. В схеме
последовательного считывания при подаче напряжения смещения вольтовая характе-
ристика одного из фотодиодов смещена в прямом направлении, а другого — в обратном.
Изменение полярности смещения ведет к изменению спектральной чувствительности.
Отсутствие контакта с промежуточным омическим слоем в схеме с последователь-
ным считыванием (рис. 7.17,6) требует лишь одного выводного контакта для каждого
пиксела МПИ, что упрощает конструкцию ФПУ и увеличивает коэффициент заполне-
Рнс. 7.17. Схема работы одного пиксела двухцветного
фотодиодного МПИ с одновременным (а) и
последовательным (б) считыванием сигнала: ДФД -
фотодиод, чувствительный к излучению на волнах большей
длины; КФД - фотодиод, чувствительный к излучению на
волнах меньшей длины; ОКС - промежуточный
оптический контактный слой
ния. Размер пиксела в ФПУ, опи-
санном в [277], при этом способе
считывания может быть уменьшен
до 40 мкм. Однако независимость
питания каждого из фотодиодов
пиксела (КФД и ДФД) в схеме с
одновременным считыванием по-
зволяет проще регулировать соот-
ношение между сигналами, обра-
зующимися в каждом из спек-
тральных каналов. Поскольку поток
фотонов обычно больше в длинно-
волновом диапазоне, нежели в ко-
ротковолновом, в схеме считыва-
ния и последующем электронном
тракте обычно приходится устанав-
ливать необходимое соотношение
между сигналами, соответствую-
щими каждому из рабочих спек-
тральных диапазонов.
Использование KPT-слоев допускает комбинацию различных спектральных рабочих
диапазонов - отдельных полос внутри широких диапазонов 3...5 или 8... 12 мкм, а так-
же комбинацию 3...5 - 8...12 мкм. Компания «DRS Infrared Technologies» сообщила о
разработке двух разновидностей двухдиапазонных МПИ на базе КРТ [174]. Обе разно-
видности имеют одинаковый формат и размер пиксела: 320x240 и 50 мкм. У МПИ, ра-
ботающего в спектральных диапазонах 3,0....5,2 и 8,0... 10,2 мкм, АГП равны 9 и 23 мК
7.6. Двухдиапазонные МПИ
177
при разбросе чувствительности 4,8 и 4,2%, соответственно. Для KPT-МПИ, работающе-
го в диапазонах 3,0. ..4,2 и 4,2...5,2 мкм, значения ДГП составили 18,1 и 8,3 мК при раз-
бросе чувствительности 4,3 и 3,7%, соответственно. Значения АТп приведены для час-
тоты кадров 60 Гц и диафрагменного числа объектива К = 3.
К сожалению, спектральные характеристики каждого из каналов двухдиапазонных
КРТ-приемников перекрываются, что создает трудности разделения каналов. Так, у
приемников, описанных в [174], перекрытие спектральных характеристик происходит
на уровне 0,4 максимумов чувствительности: на длинах волн —4,15 мкм (для приемника
с диапазонами <2,0...4,25 и 4,1...5,3 мкм) и ~5,3 мкм (для приемника с диапазонами
<2,0...5,4 и 5,1... 11,0 на уровне 0,1).
Фотоприемное устройство, описанное в [277], имеет формат 64x64 с размерами пик-
села 61 мкм. Там же сообщалось о разработке двухцветового матричного МПИ форма-
та 128x128 с размерами пикселов менее 40 мкм. Изменение спектральных характери-
стик производилось путем изменения напряжения смещения от -300 до +300 мВ. Рабо-
чими спектральными диапазонами в ИКС, созданной на базе этого приемника, были
2...5 и 5...9 мкм. В области отрицательных напряжений смещения (до -300 мВ) на
длине волны 3,94 мкм квантовая эффективность приемника была близка к 80%. При-
мерно та же эффективность достигалась при положительном напряжении смещения (до
+300 мВ) надлине волны 5,26 мкм. Такой МПИ имел удельную обнаружительную спо-
собность D , сравнимую с D одноплощадочных приемников на базе КРТ.
Компания «AEG Infrarot GmbH» (Германия) планирует в 2004 г. выпустить на рынок
двухдиапазонные ФПУ на базе КРТ с форматами 192x192 (частота кадров до 800 Гц) и
256x256 (частота кадров до 400 Гц). Размеры пикселов у обеих разработок планируют-
ся одинаковыми - 56 мкм. Высокая частота кадров обеспечит эффективное использова-
ние таких ФПУ в быстродействующих ИКС с двухцветовой селекцией целей, например
в головках самонаведения ракет или противоракетных комплексах. В системе с этим
МПИ будет осуществляться электронная компенсация значительной разницы величин
потоков, приходящих на вход ИКС в каждом из рабочих диапазонов, т.е. приведение
сигналов на выходе ФПУ к приблизительно одинаковому уровню, что необходимо для
хорошего температурного разрешения и коррекции неоднородности чувствительности.
В [126] сообщается о разработке компанией «DRS Infrared Technologies» двухдиапа-
зонного KPT-МПИ формата 320х240 для каждого из диапазонов (3,0...5,2 и
7,9...9,5 мкм) с единой интегральной схемой считывания формата 640x480. Размеры
пикселов этой схемы составляют 25 мкм. Схема считывания имеет 4 различных выхода
(по два на каждый диапазон), сигналы с которых поступают на АЦП. Время накопле-
ния для диапазона 3,0...5,4 мкм выбирается примерно в 10 раз большим, чем для диа-
пазона 7,9...9,5 мкм, что позволяет достичь примерно одинакового уровня сигналов
обоих диапазонов. Это не позволяет оптимизировать отношение сигнал-шум в средне-
волновом канале при работе с малыми временами накопления, для которых это отно-
шение в длинноволновом канале близко к идеальному. Для диафрагменных чисел К = 3,0
при работе по излучателям с температурой 22...30° ДГП составили 50...65 мК для диа-
пазона 3,0... 5,2 мкм и 50...70 мК для диапазона 7,9...9,5 мкм [126].
178
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Новая технология соединения матрицы чувствительных элементов со схемой счи-
тывания (HDVIP™), разработанная компанией «DRS Infrared Technologies» и исклю-
чающая применение для этой цели индиевых столбиков [279], позволяет осуществлять
одновременный съем сигналов с КФД и ДФД форматов 320х240 с помощью схемы
считывания формата 640x480 при одинаковом времени накопления для всех пикселов.
Такое ФПУ оптимизировано для работы в длинноволновом диапазоне (7,9...9,5 мкм) с
временем накопления 80 мкс. Для второго спектрального диапазона (3,0...5,4 мкм)
применяется больший коэффициент усиления сигнала, снимаемого с КФД и поступаю-
Ячейка схемы
Рис. 7.18. Схема работы одного пиксела
двухцветного МПИ на ФКЯ: ДФКЯ и КФКЯ -
приемники, чувствительные к излучению волн с
большими и меньшими длинами волн,
соответственно
щего на вход аналого-цифрового преобра-
зователя. Для неподвижных объектов воз-
можно раздельно оптимизировать изобра-
жения, образующиеся в каждом спек-
тральном диапазоне. При такой оптимиза-
ции значения Д7П в них составили
20...30 мК.
Очень часто двухдиапазонные МПИ
создаются на базе ФКЯ-приемников, из-
готавливаемых из GaAs/AlGaAs и реже из
InGaAs/InAlAs [74, 127, 133, 134, 170,
255].
В [127] описываются разработанные
компанией «Lockheed Martin» с участием
Исследовательской лаборатории Армии
США (Army Research Laboratory) двух-
диапазонные МПИ на ФКЯ (рис. 7.18),
которые могут работать на двух длинах
волн в средневолновом (3...5 мкм) или в
длинноволновом (8... 12 мкм) ИК-
диапазонах, а также на двух длинах волн,
одна из которых относится к области
3...5 мкм, а другая - к 8... 12 мкм. Форматы МПИ и ФПУ на их основе составляли
256x256, а для отдельных образцов - 640х480 пикселов (размер пиксела в [127] не со-
общается).
Фотоприемные устройства работают по способу одновременного считывания сигна-
лов, образуемых в узких спектральных диапазонах с максимумами на 5,0 и 8,6 мкм
(рис. 7.19). Перекрытие спектральных диапазонов практически отсутствует, что выгод-
но отличает ФКЯ от фотодиодов на базе КРТ. Однако рабочая температура, необходи-
мая для обеспечения работоспособности и хорошей чувствительности (малого темно-
вого тока), у ФКЯ ниже (65 К и менее), чем у КРТ (77 К). Кроме того, у ФКЯ меньше
квантовая эффективность по сравнению с КРТ.
Требуемая спектральная характеристика ФКЯ обеспечивается изменением толщины
отдельных слоев ФКЯ, что при освоенной технологии молекулярно-лучевой эпитаксии
1.Ь. Двухдиапазонные МПИ
179
для материалов групп III-V, из которых изготавливаются ФКЯ, сегодня не представля-
ет принципиальных трудностей.
Каждый пиксел двухдиапазонного приемника на ФКЯ имеет три выходных контакта -
индиевых столбика, соединяющих его со схемой считывания. Одна ячейка этой схемы
содержит отдельные предусилители и накопительные емкости для каждого из прием-
ников, составляющих один пиксел МПИ. В электронном тракте ФПУ сигналы оцифро-
вываются, с помощью аналого-цифрового преобразователя на 12 бит и считываются с
частотой 1,2-107 пикселов в секунду, что обеспе-
чивает частоту кадров 60 Гц. Время накопления
зарядов при испытании ФПУ изменялось от 80
мкс до 16 мс [127].
Испытания двухдиапазонного приемника
на ФКЯ показали, что при рабочей температу-
ре 60 К средние значения АГП, обусловленной
временной составляющей шума ФПУ, составили
34 мК для длинноволнового ИК-диапазона
(ДФКЯ) (при напряжении смещения 1В) и 30 мК
для средневолнового ИК-диапазона (КФКЯ) (при
напряжении смещения 2В). При рабочей темпе-
ратуре 70 К и выше канал ДФКЯ становился не-
работоспособным. В то же время КФКЯ имел
ДТП <30 мК при рабочих температурах 90 К и
менее. Время накопления зарядов при этом со-
ставляло 8 мс, температура фона - 298 К, а диа-
фрагменное число объектива системы К = 2,5.
Диапазон температур черного тела, используе-
мого при испытаниях, составлял 22...30°С.
Геометрический шум был гораздо заметнее
X, мкм
Рис. 7.19. Значения относительной
спектральной чувствительности SxOTH
для двухдиапазонного ФКЯ [127]
у КФКЯ, что объяснялось несколько
большей неоднородностью чувствительности отдельных пикселов в этом диапазоне
(А = 5,1 мкм). В то же время доля пикселов с разбросом чувствительности в пределах
±20% для А = 5,1 мкм не превышала 0,26%, а для А = 9,0 мкм - 0,18%.
Образуемые перед пикселами в процессе изготовления ФКЯ дифракционные ре-
шетки, которые необходимы для поглощения нормально падающего излучения (на
рис. 7.18 не показаны), имели различную ориентацию штрихов относительно главных
осей МПИ - 135° и 315° для ДФКЯ и 45° и 225° для КФКЯ.
В [231] сообщается о разработке ряда двухдиапазонных приемников на базе
ФКЯ, работающих по способу одновременного считывания. Материалами чувствитель-
ных слоев ФКЯ были GaAs с барьерами AlGaAs для длинноволнового ИК-диапазона и
InGaAs с барьерами AlGaAs для средневолнового ИК-диапазона, обеспечивающие высо-
кую чувствительность и однородность параметров отдельных пикселов. Приемники ра-
ботают в различных спектральных диапазонах: на длинах волн 8,3 и 11,2 мкм (рабочие
температуры 40...45 К); 5,1 и 8,5 мкм (рабочие температуры 65...70 К); 4,0 и 4,7 мкм (ра-
180 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
бочие температуры 90... 100 К). Верхние пределы указанных температур определялись
приемниками, работающими на более длинных волнах (ДФКЯ).
Спектральные характеристики и зависимости максимальных значений токовой чув-
ствительности от напряжения смещения для этих приемников приведены на рис. 7.20.
Формат приемников 256x256 пикселов с размерами 40x40 мкм; лишь у приемников,
работающих на длинах волн 4,0 и 4,7 мкм, размеры пикселов составляли 50x50 мкм.
Коэффициенты заполнения были близки у ДФКЯ к 80%, а у КФКЯ - к 85%.
Напряжение смещения у этих приемников составляло -1.. .-2 В. Время накопления за-
рядов в каждой из двух секций ячейки схемы считывания, соответствующих двум спек-
тральным рабочим диапазонам, было различным и изменялось от 4 до 10 мс. Частота кад-
ров равнялась 60... 100 Гц. Системы с этими приемниками имели объективы с диафрагмен-
ными числами К-2 или К= 3; температура фона при испытаниях ФПУ составляла 295 К.
Максимальная чувствительность МПИ, работающего при температуре 40 К на дли-
нах волн 11,2 и 8,3 мкм, составляла около 480 mA/Вт для ДФКЯ и 320 mA/Вт для КФКЯ
при рабочей температуре 40 К и напряжении смещения -2 В. Типичные значения ЛТ„
были равны 43 мК для ДФКЯ и 23 мК для КФКЯ (при К- 3 и частоте кадров 100 Гц).
Для МПИ, работающих при температуре 65 К на длинах волн 8,5 и 5,1 мкм, макси-
мальные чувствительности составили около 95 и 35 мА/Вт соответственно, a для
обоих диапазонов была менее 35 мК (при К = 2 и частоте кадров 100 Гц).
Для МПИ, работающих при температуре 150 К на длинах волн 4,7 и 4,0 мкм, макси-
мальные чувствительности были близки к 28 и 17,5 мА/Вт соответственно. Величина
ДТп при рабочей температуре 85...90 К составила 32 мК для ДФКЯ и 41 мК для КФКЯ
(при F = 3 и времени накопления 8... 10 мс).
Разработанные «Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology» крупно-
форматные (640x512) ФКЯ-матрицы на базе GaAs/AlGaAs с периодом расположения
пикселов 25 мкм имели &ТП= 55 мК при температуре охлаждения 45 К. Матрицы могут
работать в узких полосах внутри широкого диапазона 10... 16 мкм [74].
В [132, 134] приводятся параметры и характеристики двухдиапазонного ФКЯ фор-
матов 320x240 и 640x480 на базе GaAs/AlGaAs, имеющего две зоны спектральной чув-
ствительности с максимумами около 8,5 и 14,5 мкм. Испытания приемника при темпе-
ратуре фона 300 К , при апертуре охлаждаемой диафрагмы F/2 и частоте кадров 30 Гц
показали, что при температуре охлаждения 40 К значения АТП для диапазонов 8...9 и
14... 15 мкм составляют 36 и 44 мК соответственно. При температурах охлаждения 65 К
и ниже ДТп для диапазона 8...9 мкм остается стабильной.
На базе ФКЯ формата 384x288 с размером пиксела 40 мкм компания «AEG Infrarot
GmbH» планирует выпускать двухдиапазонные МПИ, предназначенные для ИКС обна-
ружения замаскированных целей [98]. Максимумы спектральной чувствительности бу-
дут иметь место на длинах волн 4,83 и 8,62 мкм. Узкие полосы диапазонов (0,7 мкм на
X = 4,83 мкм и 1,8 мкм на X = 8,62 мкм на уровне 50%) позволяют осуществить хорошую
двухцветовую селекцию целей. Система охлаждения на основе цикла Джоуля-Томсона
должна обеспечить рабочую температуру 77 К.
7.6. Двухдиапазонные МПИ
181
Sh
а)
U,B
Sh
б)
Рис. 7.20. Спектральные характеристики Sf и зависимости максимума токовой чувствительности S, ,
определяемой по излучению черного тела с температурой Тф, от напряжения смещения для ДФКЯ (1)
и КФКЯ (2) при Х^х = 5,1 и 8,6 мкм (а), ХП1ах = 3,85 и 4,7 мкм (б) и Х^ = 4,1 и 4,9 мкм (в) [231]
Разработанные компанией «ВАЕ Systems» двухдиапазонные ФКЯ-МПИ формата
256x256 с размером пиксела 39 мкм на базе 20-периодной структуры GaAs/AlGaAs с
максимумом спектральной характеристики на 8,6 мкм и на базе InGaAs - слоев с барье-
рами из AlGaAs с максимумом спектральной характеристики на 4,7 мкм используют
182 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
схему считывания фирмы «Lockheed Martin Electronics and Missile Systems», потреб-
ляющую менее 50 мВт и обеспечивающую частоту кадров до 180 Гц [127]. Емкость
ячеек схемы считывания может изменяться от 2-106 до 2-107 электронов. Разработанные
двухдиапазонные ФПУ при их охлаждении до 60 К, диафрагменном числе объектива
А =2,5 и времени накопления 8 мс обеспечивали АГП = 35...60 мК на длине волны
8,6 мкм и 30...80 мК на длине волны 5,0 мкм при испытаниях в условиях фонов с тем-
пературой +22°...+30°С.
В схеме считывания, разработанной по программе AMQWT (Advanced Multiple
Quantum Well Technology) исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL), время
накопления устанавливается одинаковым для всех пикселов, но значения накопительных
емкостей могут изменяться от 106 электронов (при большом усилении) до 107 электронов
(при малом усилении). Так как поток фотонов, поступающих от сцены с 300 К, в диа-
пазоне 8... 12 мкм примерно в 10 раз больше потока в диапазоне 3...5 мкм, канал ДФКЯ
имеет соответственно меньший коэффициент усиления, чем канал КФКЯ. Напряжения
смещения используются для «балансировки» каналов.
Сравнение двухдиапазонных МПИ на базе КРТ и ФКЯ показало, что при работе ка-
ждого из этих приемников в условиях, близких к оптимальным, нельзя отдать предпоч-
тение какому-то одному из них [128]. Для ФКЯ такими условиями являются охлажде-
ние до температур ниже 62 К и использование времени накопления порядка 8 мс. Для
KPT-матриц температура охлаждения может быть выше (до 77 К), а режимы работы в
длинно- и средневолновом ИК-диапазонах должны быть различными, т.е. для одного
диапазона следует применять схему одновременного считывания, а для другого — по-
следовательного. Считается, что двухдиапазонные ИКС ближайшего будущего потре-
буют одновременной работы ФПУ каждого диапазона [128].
7.7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСХОДНЫХ ТРЕБОВАНИЙ
К ОСНОВНЫМ ПАРАМЕТРАМ И ХАРАКТЕРИСТИКАМ
МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ
Основное энергетическое уравнение ИКС (см. гл. 5, а также [48, 61]) позволяет дос-
таточно полно проанализировать влияние различных параметров и характеристик
звеньев ИКС, а также условий ее эксплуатации на важнейшие показатели качества сис-
темы: энергетическое и пространственное разрешение, отношение сигнал-шум, обеспе-
чиваемое системой, и др. В полной мере это относится к решению важной и часто
встречающейся на практике задачи - выбору того или иного типа приемника излуче-
ния, обеспечивающего наиболее эффективную работу ИКС.
Усредненные значения основных параметров наиболее распространенных совре-
менных 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, обес-
печиваемые тем или иным типом приемника. Значения ДГП соответствуют температуре
7.7. Исходные требования к параметрам и характеристикам МПИ
183
наблюдаемого фона 300 К и диафрагменным числам объектива К, приводимым в скоб-
ках. Как правило, частота кадров при оценке ЛГП составляла 30...50 Гц. При необходи-
мости эквивалентную шуму разность температур Д7П легко пересчитать к условиям ра-
боты конкретной ИКС, например к другим диафрагменным числам объектива или дру-
гим 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 нако-
пления сигналов и емкости ячейки накопления; скорости (частоты) считывания и динами-
ческого диапазона сигналов; шумов МПИ; рабочей температуры; мощности рассеяния; на-
пряжения питания; уровня фонового потока излу-
К °/ /к
чения; однородности чувствительности отдельных д’
элементов МПИ и др. Все эти параметры тесно 8
связаны друг с другом, а также с параметрами 7
схемы считывания и первичной обработки сигна- 6
лов. В этом легко убедиться, анализируя, напри-
мер, формулы (4.5), (5.32) и др. 3
Рассмотрим вкратце такие взаимосвязи, кото- 2
рые приходится учитывать при выборе ФПУ с 1
МПИ, электронного тракта и других звеньев ИКС.
Анализ условий работы ИКС с точки зре-
ния обеспечения оптимальных или требуемых
энергетических, пространственных, темпера- Рис 721 Зависимость контраста АД от
турно-частотных и других параметров качест- длины волны А
ва 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 про-
странственное разрешение всей системы, а также важнейшие показатели качества
ИКС (см. гл. 4). Для очень многих ИКС такими диапазонами являются 3...5и8...12
(или 8... 14) мкм. В этих диапазонах, определяемых главным образом соответствую-
щими окнами пропускания атмосферы и достигнутым уровнем развития элементной
базы, сосредоточена большая или значительная часть излучения многих объектов ес-
тественного 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).
184
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Наиболее распространенные матричные многоэлементные
Тип приемника КРТ PtSi/Si
Спектральный рабочий диапазон, мкм 3...5 8...12 3...5
Типовые форматы матриц 128x128,256x256, 384x288,640x512, 640x480 128x128, 256x256, 320x240 128x128, 256x256, 512x512,640x480, 1024x1024,1040x1040
Шаг пикселов матрицы, мкм 25...50 25...50 17...40
ДТП, мК 7...16(tf=2...4) 8...18 (К = 2...4) 33-90 (К « 1,2...1,8)
Рабочая температура, К 120...200 80 <80
Система охлаждения МКС, ТЭО МКС МКС
Коэффициент заполнения 0,9 0,7 0,4...0,7
Частота кадров, Гц <400 <150...300 30... 50
Особенности Высокая квантовая эффективность позволяет получать малые ДГП при небольших временах накопления Г„ и соответственно больших кадровых частотах FK. Из-за сложной технологии получения материала КРТ мал выход годных изделий и высока стоимость МПИ, которая резко возрастает по мере увеличения формата матрицы Технология изготовления МПИ достаточно проста. Высокая однородность парамет- ров отдельных пикселов. Ограниченный спектральный ра- бочий диапазон. Низкая квантовая эффектив- ность. При понижении температуры на- блюдаемой сцены из-за спада спек- тральной характеристики в диапа- зоне 4...5 мкм ухудшается (возрас- тает) Л7п
МКС - микрокриогенная система, ТЭО - термоэлектрический охладитель, ТЭС - термоэлектрическая стабилизация.
Для излучателей типа черных тел с температурами около 300 К яркость, а следова-
тельно, и поток излучения в диапазоне 8... 12 мкм в десятки раз больше, чем в диапазо-
не 3...5 мкм.
Как правило, полезный сигнал зависит от контраста яркостей объекта и фона, на ко-
тором наблюдается объект. На рис. 7.21 приведена зависимость нормированного кон-
траста K^q^dqJ dT) от длины волны 1 при близких температурах объекта и фона
(Т= 300 К) [151], где q(\} - 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 Ад = (£Об - Аф)/Аф ярко-
стей объекта Lo6 и фона от разности температур А Т = Тоб - 7ф приведена на рис. 7.22
[151]. И здесь контраст в диапазоне 3...5 мкм больше, чем в диапазоне 8... 12 мкм.
7.7. Исходные требования к параметрам и характеристикам МПИ
185
приемники инфракрасного излучения, выпускаемые серийно
Таблица 7.8
InSb ФКЯ Микроболометры
3...5 3...5 8...10 7...14
256x256,320x256, 512x512,640x480, 640x512,1024x1024 640x512 128x128,256x256, 320x256, 384x288, 640x512,640x480 160x128,256x128, 320x240, 384x288
25...40 25...30 25...40 45...51
10...100 (К = 1,1) 20...35(К=2) 13...35 (/(= 2) 80 (К = 1)
80...120 40...75 40...75 300
МКС МКС МКС Отсутствует, используется лишь ТЭС
>0,98 0,85 0,85 0,44...0,80
25...60 30 50 25...60
Технология изготовления хоро- шо освоена. Стоимость изготовления МПИ выше, чем у PtSi/Si, но ниже, чем у КРТ. Высокая квантовая эффектив- ность обеспечивает получение ма- лых значений АТ), при небольших временах накопления. Ограниченный спектральный рабочий диапазон Сравнительно простая освоенная техноло- гия изготовления позволяет иметь высокий процент выхода МПИ больших форматов с большим коэффициентом заполнения. Узкие рабочие спектральные диапазоны. За счет использования большого времени накопления при невысоких кадровых частотах можно получать АЛ,, близкие к ДТП для МПИ из КРТ. Необходимо иметь очень низкую рабочую температуру (<40.. .50 К) для обеспечения высокой обнаружительной способности. Квантовая эффективность невысокая, не- обходимо применять оптические блоки со- пряжения (типа дифракционных решеток) Отсутствие системы охлаж- дения упрощает конструкцию ФПУ и ИКС в целом, снижает их стоимость, массу, энерго- потребление, время готовно- сти к работе, увеличивает на- дежность и срок службы сис- темы
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 верх-
ней границей его спектральной характеристики, от которой зависит темновой ток (ток тер-
могенерации заряда). Поскольку этот темновой ток интегрируется и складывается с фото-
током, 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 эф-
фективность. Приемники, имеющие узкую спектральную характеристику и сравни-
тельно 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.
186
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Ужесточение требований к пространствен-
ному разрешению МПИ ведет к уменьшению
размеров отдельных элементов фоточувстви-
телъного слоя и промежутков между ними. При
необходимости обеспечить достаточно большое
угловое поле ИКС это ведет к увеличению числа
элементов (формата) МПИ. Все эти геометриче-
ские параметры во многом ограничиваются со-
временной технологией изготовления МПИ и пе-
риферийной электроники.
Стремление увеличить формат МПИ и
уменьшить размеры одного элемента, т.е. увели-
чить пространственную разрешающую способ-
ность МПИ, усложняет технологию изготовления
и удорожает МПИ. При этом уменьшение разме-
ров элемента ведет к уменьшению емкости ячей-
ки схемы считывания, т.е. допустимого числа на-
капливаемых в ячейке зарядов N„, а следователь-
но, к увеличению ДТП, которая обратно пропор-
Рис. 7.22. Зависимость контраста яркостей циональна корню квадратному из уменьшения
объекта и фона от разности температур Пя.
между ними [151] р[рИ увеличении рабочей длины волны рас-
тут дифракционные, а часто и аберрационные кружки рассеяния оптических систем ИКС.
При этом соответственно возрастает размер элемента чувствительного слоя МПИ, что
препятствует получению высокой разрешаю-
щей способности в пределах заданного огра-
ниченного углового поля ИКС.
На первом этапе общий размер чувстви-
тельной площадки МПИ и размеры отдельных
его элементов, а, следовательно и формат МПИ
(числа элементов), можно выбрать на основе
геометрооптических соотношений и требова-
ний к угловому полю и пространственному
разрешению оптической системы и всей ИКС
(см. §4.2). Хорошо известно соотношение ф =
= До)э/', где ф - период расположения элемен-
тов МПИ (размер одного пиксела приемника);
Дсоэ — угловое поле одного элемента; f - фо-
кусное расстояние объектива (рис. 7.23). По-
вышение пространственного разрешения за
счет уменьшения ф позволяет уменьшить/1', но
при необходимости оставить прежний диаметр
7.7. Исходные требования к параметрам и характеристикам МПИ
187
2(о,
Рис. 7.24. Взаимосвязь 2со, К и /пи
входного зрачка, например с позиций энергетических соотношений, ведет к заметному ус-
ложнению конструкции объектива, так как при уменьшении f' растет относительное отвер-
стие объектива D/f, 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 сни-
жению его стоимости.
Взаимосвязь углового поля 2<о, просматриваемого МПИ заданного размера 1т, и диа-
фрагменных чисел К = f'/D объектива для диаметра входного зрачка объектива D - 200 мм
иллюстрирует рис. 7.24 [151]. Пользуясь эти-
ми и им подобными графиками, можно на
первоначальном этапе выбора МПИ опре-
делить основные геометрические парамет-
ры приемника, увязав их с параметрами оп-
тической системы.
Требование иметь достаточно большое
число элементов МПИ для обеспечения тре-
буемого пространственного разрешения час-
то ведет к заметному усложнению техноло-
гии изготовления МПИ и ФПУ, а также к ус-
ложнению схем электронной коррекции не-
однородностей отдельных их элементов.
Кроме того, часто возникает проблема обес-
печения достаточного быстродействия сис-
темы считывания и обработки сигналов,
снимаемых с отдельных элементов приемни-
ка. Для охлаждаемых МПИ сюда же добав-
ляются трудности создания надлежащей системы охлаждения. При больших угловых по-
лях вступает в действие ограничение на рост размера чувствительного слоя МПИ и одно-
временное 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 (ем-
кость 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 t„.
188 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
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 умень-
шить 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 увеличе-
нии частоты кадров FK. Поэтому для обеспечения требуемого температурного разре-
шения ДТП ИКС следует тщательно подбирать схему считывания, обеспечивающую не-
обходимые 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 тем-
пературное разрешение МПИ умеренного формата (порядка 320x240 и менее) опреде-
ляется ёмкостью ячеек схемы считывания, а основным фактором, ограничивающим
возможность уменьшения ДТП, 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 скани-
рованием. Частота кадров FK более критична для сканирующих ИКС, нежели для сис-
тем «смотрящего» типа, поскольку при сканировании время накопления сигнала огра-
ничивается 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. Од-
нако эти меры ведут к снижению отношения сигнал-шум, т.е. к ухудшению энергетиче-
ского 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 неудобны-
ми и дорогими, так как требуют использования высокоскоростных аналого-цифровых
преобразователей, значительно увеличивающих энергопотребление, габариты и стои-
мость системы.
Более рациональным представляется устранение постоянной составляющей сигна-
ла (пьедестала) и «сжатие изображения» перед переносом заряда, образуемого фото-
нами, в ячейку хранения. Размер пьедестала определяется сложностью наблюдаемой
сцены, прежде всего фона. В табл. 7.9 приведены типичные значения средних квадра-
тических отклонений 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 2gl. При этом информативный
сигнал может быть увеличен в пять раз, а отношение сигнал-шум возрастет в идеаль-
ном случае в 75 раз.
С учетом того факта, что наиболее информативная часть изображения большинства
объектов содержится на высоких пространственных частотах, а пространственный
7.7. Исходные требования к параметрам и характеристикам МПИ
189
шум, напротив, имеет низкочастотный характер, «сжатие изображения» обычно подра-
зумевает его фильтрацию путем удаления низких пространственных частот.
Таблица 7.9
Типичные средние квадратические значения яркости распространенных фонов
в дневных условиях, % [234]
Спектральный диапазон, мкм Фон леса (чистое небо) Фон неба (небольшая облачность) Фон города (чистое небо)
3...4 20 25 44
4...5 6 23 41
8...14 1 48 11
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 остаточ-
ную неоднородность), которые в сочетании с выбранными или заданными спектральным
диапазоном работы МПИ и временем накопления (интегрирования) сигнала чувствитель-
ным элементом, а также с частотой съема информации (частотой кадра) могут предопреде-
лить выбор того или иного приемника для конкретных условий его работы.
Зачастую именно накопительная емкость и остаточная неоднородность наиболее за-
метно 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 фо-
новым излучением и приходящих на чувствительные элементы МПИ, он сильнее ска-
зывается при использовании приемников с высокой квантовой эффективностью. При
этом может оказаться, что система с приемником, имеющим высокую квантовую эф-
фективность т]9, например на базе КРТ с т]9 = 70%, могут уступать по ряду показателей
качества работы ИКС с приемником, имеющим гораздо меньшую квантовую эффек-
тивность, например на базе PtSi с Т]9 = 0,6%. Это объясняется и тем, что при использо-
вании приемника с высокой скоростью создания зарядовых пакетов для предотвраще-
ния насыщения ячейки накопления и считывания и возможного растекания зарядов
приходится ограничивать время накопления tH, если оно в совокупности с числом чув-
ствительных элементов (ячеек) определяет частоту кадров FK. Поэтому, даже если ФПУ
на приемниках с разными т)9 имеют одни и те же зарядовые емкости ячеек, приходится
использовать различные tH 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 на-
копления.
190 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Напряжение смещения чувствительного элемента влияет в первую очередь на тем-
новой ток, 1//-шум и чувствительность приемника. Во многих случаях качество прием-
ника оценивается произведением его динамического сопротивления /?0 и площади чув-
ствительного слоя Лпн. Обычно /?оЛпи уменьшается по мере увеличения длинноволновой
границы спектра. Для сохранения линейности энергетической характеристики прием-
ника необходимо в течение времени накопления стабилизировать напряжение смеще-
ния, которое для некоторых современных МПИ требуется поддерживать постоянным с
допуском в несколько милливольт.
Требуемый динамический диапазон сигналов, т.е. отношение максимального накоп-
ленного сигнала (числа зарядов) к среднему квадратическому уровню шума, определя-
ется 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 диапа-
зоном работы современных аналого-цифровых преобразователей (обычно не более
70 дБ), а также накопительной емкостью ячеек схем считывания.
7.8. УСТРОЙСТВА ОХЛАЖДЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ
СТАБИЛИЗАЦИИ МАТРИЧНЫХ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ
ПРИЕМНИКОВ
Как уже отмечалось, многие приемники излучения требуют охлаждения чувстви-
тельного слоя (а часто и всего ФПУ) для обеспечения их функционирования и дости-
жения требуемой чувствительности. Не менее важно и обеспечение стабильности рабо-
чей температуры чувствительного слоя приемника и других элементов ФПУ. К причи-
нам ее нестабильности и, как следствие, изменения значений параметров и характери-
стик ФПУ относятся, прежде всего, изменения температуры окружающей среды, а кро-
ме того, изменения температуры самого приемника и элементов схемы считывания, на-
пример, за счет выделения джоулевого тепла, о чем также уже говорилось.
В качестве устройств охлаждения и температурной стабилизации МПИ и ФПУ ис-
пользуют различные системы (рис. 7.25).
Наиболее важными параметрами и характеристиками устройств охлаждения явля-
ются:
- рабочая температура и стабильность ее поддержания в заданном диапазоне темпе-
ратур окружающей среды;
- холодопроизводительность, оцениваемая мощностью, отводимой от ФПУ при
достижении рабочей температуры охлаждения, а иногда количеством тепла, отводимо-
го в единицу времени от ФПУ при его охлаждении;
- холодильный коэффициент или термодинамический КПД - отношение холодо-
производительности к потребляемой мощности;
7.8. Устройства охлаждения и температурной стабилизации матричных МПИ
191
Теплоотвод за счет
излучения в открытый
космос
Достоинства - высокая
надежность, отсутствие
движущихся деталей и питания;
большой срок службы
Недостатки - необходимость
исключения излучения самого
носителя и посторонних
излучателей (Солнца, Земли и др.)
Рис. 7.25. Краткая обобщенная классификация систем охлаждения
192
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
— тепловая масса, определяемая как отношение массы устройства охлаждения (хо-
лодильника) к холодопроизводительности;
- время выхода на режим;
- продолжительность работы устройства (минимальная наработка на отказ);
- способ совмещения с приемником излучения.
Очень важно, чтобы устройство охлаждения обладало высокой надежностью, имело
малые массу и габариты.
Кратко рассмотрим основные типы устройств охлаждения, представленных на
рис. 7.25.
7.8.1. СИСТЕМЫ С РАЗОМКНУТЫМ ЦИКЛОМ ИЛИ СИСТЕМЫ
РАСХОДНОГО ТИПА
Наиболее простым и эффективным способом охлаждения ИК-приемников является
заливка жидкого хладагента в сосуд Дьюара, который представляет собой аналог быто-
вого термоса. Однако на практике из-за малого времени работы, определяемого объе-
мом хладагента и скоростью его испарения, такой способ охлаждения в ИКС использу-
ется сравнительно редко. В системах охлаждения, работающих по схеме, представлен-
ной на рис. 7.26, применяются хладагент в жидком или в твердом состоянии или газ
высокого давления, температура которого понижается при расширении без отдачи
внешней работы (эффект Джоуля-Томсона). Во
внутреннюю полость сосуда Дьюара вводится
корпус теплообменника, дно которого примы-
кает к поверхности внутреннего торца сосуда.
На другой поверхности этого торца, т.е. внутри
вакуумированной полости, находится охлаж-
даемый приемник.
Расширившийся охлажденный газ обмени-
вается теплом с вновь поступающим газом и
охлаждает последний до тех пор, пока на выхо-
де дросселя не начнет образовываться конден-
сат, что приводит к появлению жидкой фазы
хладагента при температуре охлаждения газа.
Точка инверсии азота соответствует температу-
ре выше комнатной, поэтому азот, используе-
мый в качестве хладагента, не требуется пред-
варительно охлаждать.
Обычно теплообменник такой системы вы-
полняется в виде цилиндрического сердечника,
окруженного ребристой спиральной тонкой
трубкой с малым внутренним отверстием. Что-
Рис. 7.26. Схема устройства охлаждения
разомкнутого цикла, использующего
эффект Джоуля-Томсона: 1 - баллон с
газом высокого давления, 2 - осушитель
газа и фильтр, 3 - теплообменник,
4 - дроссель, 5 - приемник жидкого
хладагента, 6 - охлаждаемое ФПУ
7.8. Устройства охлаждения и температурной стабилизации матричных МПИ 193
бы дроссельное отверстие на выходе трубки (диаметром порядка десятков микромет-
ров) не засорялось посторонними включениями и замерзшими частицами воды, посту-
пающий в теплообменник газ необходимо тщательно очищать и осушать. Теплообмен-
ник плотно вставляется во внутреннюю полость сосуда Дьюара, внутри которого рас-
полагается ФПУ. Вся конструкция помещается в корпус, имеющий крышку с входным
и выходным штуцерами и электрическими выводами для подачи питания и съема сиг-
налов с выхода ФПУ.
Такие системы охлаждения могут быть выполнены по совмещенной схеме, в кото-
рой приемник находится в сосуде Дьюара (дьюаре), и по дистанционной схеме, в кото-
рой дьюар приемника специальным трубопроводом соединяется с дьюаром или с балло-
ном, содержащим сжиженный под большим давлением (до 7-106...4-107 Па) хладагент.
Устройства этого типа, потребляя малую мощность, позволяют обеспечивать температуры
охлаждения до 4... 125 К; их холодопроизводительность достигает 0,05... 10,0 Вт, а время
выхода на рабочий режим может изменяться от 0,05 до 15 мин.
Основное конструктивное ограничение систем, работающих по циклу Джоуля-Том-
сона, связано с большой массой баллона для хранения газа высокого давления - при-
мерно 1,8 кг на 0,5 кг азота.
7.8.2. РАДИАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ИЛИ ПАССИВНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
Конструкция систем этого типа сравнительно проста: эти пассивные излучатели ох-
лаждают приемники, излучая тепло в низкотемпературную среду — в открытый космос
[48, 51, 151]. В космических условиях обеспечиваемая ими температура охлаждения
порой достигает нескольких десятков кельвинов, а холодопроизводительность может
составлять несколько десятых долей ватта. Правда, время выхода этих систем на рабо-
чий режим достаточно велико.
7.8.3. СИСТЕМЫ С ЗАМКНУТЫМ ЦИКЛОМ ИЛИ МЕХАНИЧЕСКИЕ
ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Системы охлаждения с замкнутым циклом, в которых используется адиабатическое
расширение сжатого газа, позволяют достичь большей эффективности охлаждения по
сравнению с процессом дросселирования, используемым в системах расходного типа. В
системе охлаждения с замкнутым циклом использованный хладагент собирается и сно-
ва пропускается через теплообменник. Известно достаточно большое число типов
замкнутых циклов [18, 51, 151], однако на практике преимущественно используются
цикл Стирлинга, обеспечивающий наименьшие массу, габариты и энергопотребление
конструкции [18, 57, 151], и реже цикл Джоуля—Томсона.
Холодильник Стирлинга состоит из двух поршней и двух цилиндров, а также имеет
регенератор, через который газ проходит туда и обратно между цилиндрами, т.е. реге-
нератор выполняет функцию теплообменника в холодильнике Джоуля-Томсона. Один
7 Инфракрасные сноемы
«смотрящего» тина
194
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
Некоторые характеристики систем охлаждения,
№ п/п Наименование модели, тип криостата Фирма- производитель Холодопроиз- водительность, Вт, при достижении ПК для температуры окружающей среды 23°С Время выхода на режим (от 300 до 77), мин Тепловая масса при охлаждении от 300 до 77 К (80) К
1 НМ 7060-196, Сплит- Стирлинг, линейный привод «Raytheon» 0,45 <6,0 250
2 НМ 7050-196, Сплит- Стирлинг, линейный привод Та же 0,60 <3,0 250
3 НМ 7050-514, Сплит- Стирлинг, линейный привод -//- 1,50 <10 <• 1440
4 НМ 7052-260S, Сплит- Стирлинг, линейный привод -И- 0,90 <2,5 250
5 SL020, IDDCA** «AEG Infrarot Module GmbH» 0,2 <4,0 —
6 SL 100, Сплит-Стирлинг, линейный привод Та же 1,5 12,0 1440
7 SL200 Сплит-Стирлинг, линейный привод -//- 2,5 7,0 1700
8 В500С Сплит-Стирлинг, линейный привод «СМС Electronics Cincinnati» 0,15-0,5 <5,0 250
9 В 1000 Сплит-Стирлинг, линейный привод Та же 1,0 <10,0 1440
10 В 5000 Сплит-Стирлинг, линейный привод -//- 5,0 <4,0 <14,0 1440 8000
11 P/N: 327105 Сплит-Стирлинг, линейный привод «Litton Life Support» 0,6 <10,0 450
12 P/N; 3271047 Сплит-Стирлинг, линейный привод Та же 1,0 <13,0 1440
♦ А - низкий уровень вибрации; В - низкий акустический шум; С - предусмотрена возможность регулирования F- наличие фильтров от радиочастотных и электромагнитных помех. ♦* Обозначает объединение сосуда Дьюара, приемника и системы охлаждения в один узел.
7.8. Устройства охлаждения и температурной стабилизации матричных МПИ
195
работающих по замкнутому циклу Стирлинга
Таблица 7.10
Потребляемая мощность, Вт Масса, кг Выходная вибрация Минимальная наработка на отказ, ч Диапазон температур окружающей среды, °C Примечание
<18 0,5 <0,123 >4000 -40...+60 Наряжение питания 11,0 ± 0,5 В постоянного тока, А, В, С, Е*
60 1,2 <0,205 >4000 -54...+71 То же
60 1,3 <0,205 >4000 -54...+71 Наряжение питания 11,0 ± 0,5 В постоянного тока, А, В, С, Е*
60 1,2 <0,205 >5000 -54...+71 Наряжение питания 3,1 ± 0,5 В постоянного тока, А, В, С, D*
15 0,6 компрессора — >6000 +71 Напряжение питания 17... 32 В переменного тока; А, В, С, F*
55 2,1 — >6000 +71 Напряжение питания 17... 32 В переменного тока; А, В, D, F*
80 3,5 — >6000 +71 Напряжение питания 17. ..32 В переменного тока; А, В, Е, F*
22 0,45 0,08 >4000 -54...+71 —
60 1,64 0,205 >4000 -54...+71 — )
120 4,1 0,307 >4000 — — 1
35 1,0 <0,123 >4000 —40...+71 Напряжение питания 17...32 В переменного тока, нестабилизированного; А, В, D/E, F*
60 1,8 <0,205 >4000 -54...+71 Напряжение питания 17...32 В переменного тока, нестабилизированного; А, В, D.F*
температуры; DhE- торцевое и боковое подключения соединительной трубки к корпусу компрессора;
1*
196 Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
поршень действует как компрессор, другой - как детандер. В этих системах осуществ-
ляются следующие процессы:
- изотермическое сжатие хладагента (газа) до высокого давления при рабочей тем-
пературе охлаждения;
- охлаждение сжатого хладагента в теплообменнике, при этом объем газа уменьша-
ется;
- изотермическое расширение газа с одновременным отводом тепла от охлаждаемой
конструкции;
- нагрев газа низкого давления в теплообменнике при его движении в обратном на-
правлении.
Обычная система охлаждения такого типа состоит из четырех основных частей: ис-
парителя, компрессора, конденсатора и дозирующего клапана. В испарителе, или хо-
лодной секции, жидкий хладагент, имеющий два состояния, кипит и испаряется. Во
время перехода из жидкого состояния в газообразное поглощается энергия (тепло).
Компрессор играет роль насоса хладагента и компрессора газа: компрессор доводит
давление сжатого газа до нескольких десятков атмосфер, а конденсатор удаляет в ок-
ружающую среду накапливаемое в испарителе и выделяемое при сжатии тепло. Дози-
рующий клапан изменяет давление хладагента, позволяя тем самым поглощать тепло
при поступлении газа в испаритель. Поскольку в устройствах этого типа используются
компрессоры для сжатия рабочего газа, а вся конструкция располагается вблизи охлаж-
даемого объекта (приемника излучения), очень важно до минимума снизить вибрации,
возникающие при работе холодильной машины. Для этого в такой конструкции по схе-
ме Сплит-Стирлинг компрессор и охлаждаемый блок разнесены и соединены между
собой трубкой-газопроводом. Это позволяет минимизировать в области расположения
ФПУ вибрации, создаваемые газовой холодильной машиной, увеличить срок службы
системы до нескольких тысяч часов (иногда до 10...20), но уменьшает термодинамиче-
ский КПД по мере увеличения длины трубки.
Достаточно компактные микрохолодильники, работающие по циклу Стирлинга, могут
иметь две ступени охлаждения, например на уровнях 77...80 и 25...30 К [18, 130, 151].
Замкнутые дроссельные системы, использующие многосмесевые азотно-углеводородные
хладагенты, обеспечивают температуры охлаждения до 77.. .80 К [242].
В [51, 151 и др.] приводятся параметры и характеристики ряда устройств охлажде-
ния этого типа. Их холодопроизводительность составляет обычно 0,5...2,5 Вт при тем-
пературах охлаждения 77 К, но может достигать и нескольких десятков ватт (за счет
увеличения массы, габаритов конструкции и потребляемой мощности до 1,2...2,0 кВт).
Типовой холодильный коэффициент этих устройств — около 1/30... 1/40 для температур
порядка 77 К. В [130] описываются основные тенденции развития современных микро-
холодильных систем замкнутого типа.
В табл. 7.10 и 7.11 в качестве примеров представлены основные технические харак-
теристики некоторых современных зарубежных и отечественных систем охлаждения, а
на рис. 7.27 - примеры конструктивного оформления таких устройств. Материалы за-
имствованы из проспектов фирм-производителей.
7.8. Устройства охлаждения и температурной стабилизации матричных МПИ
197
Таблица 7.11
Технические характеристики микрокриогенных систем
(газовых криогенных машин) НТК «Сибкриотехника» [130]
при среднем времени наработки на отказ 10 000ч.
Технические характеристики Класс микрокриогенной системы
1-й 2-й 3-й 4-й
Габаритные размеры (длина/диаметр), мм 9/72,5 6/71 6/71 6/71
Максимальная тепловая нагрузка, создаваемя приемником при температуре 80 ±2 К, Вт 1,3 0,75 0,4 0,2
Масса охлаждаемого премника, приведенная к температуре охлаждения (не более), г 10 7 4 15
Время выхода на рабочий режим охлаждения (не более), мин 5 5 5 8
Потребляемая мощность в режимах включсния/рабочий режим (не более), Вт 120/70 100/50 45/20 12/8
Напряжение питание (постоянное), В 27,5Г| 27,51| 12-2 12-2
Масса системы (не более), кг 5 3 2,3 0,6
а) б) в)
Рис. 7.27. Примеры конструктивного оформления устройств охлаждения на базе механических
газовых холодильных машин
7.8.4. СОРБЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА ОХЛАЖДЕНИЯ
Сорбционное устройство охлаждения представляет собой охладитель типа Джоуля-
Томсона с замкнутым циклом, в котором механический компрессор заменен абсорбци-
онным. В сорбционном процессе охлаждения газ под низким давлением поглощается
198
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
твердым материалом - сорбентом, который затем нагревается до температуры
100...200°С, чтобы выделять газ при высоком давлении. Газ под высоким давлением
проходит через предохлаждающий каскад, а затем через дроссель Джоуля-Томсона,
где, сначала расширившись, опять частично сжижается и охлаждается до конечной
низкой температуры. Испаряющийся (выкипающий) газ при низком давлении затем
вновь поглощается сорбентом. В потенциале срок сорбционного охлаждения исчисля-
ется десятилетиями. В таких конструкциях в отличие от механических полностью от-
сутствуют вибрации.
Криостаты на основе сорбции углерода/метана (С/СН4) работают в диапазоне тем-
ператур ПО... 150 К и обеспечивают холодопроизводительность 2 Вт при холодильном
коэффициенте 80 Вт/Вт и Т = 140 К. Для достижения более низких температур можно
применять несколько последовательных сорбционных криостатов. Как сообщается в
[151], хемосорбционный криостат на основе СН4+РСО (празеодимий/церий/оксид) бу-
дет работать в диапазоне температур 55...90 К и иметь охлаждающую способность 1,7
Вт при холодильном коэффициенте ~ 180 Вт/Вт и Т = 70 К.
7.8.5. ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ ИЛИ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОХЛАДИТЕЛИ
Работа этих охлаждающих устройств базируется на использовании термоэлектриче-
ского эффекта Пельтье, когда при последовательном соединении двух различных ме-
таллов с источником электродвижущей силы одна поверхность контакта охлаждается, а
другая нагревается. Термоэлектрический охладитель представляет собой модуль, в ко-
тором металлическим проводником последовательно соединены полупроводники п- и
/2-типа, причем холодное соединение образует поглощающую тепло поверхность, а на-
гретое - поверхность, выделяющую тепло (рис. 7.28). При подаче напряжения (обычно
0,1 ...5,0 В) между двумя поверхностями на одном переходе тепло поглощается, охлаж-
дая расположенный здесь приемник излучения, а на другом - выделяется и отводится
через радиатор наружу.
Для увеличения разности рабочей температуры МПИ и температуры окружающей
среды такие модули располагают один над другим, т.е. образуют многокаскадные (мно-
гоступенчатые) охладители, в которых тепловыделяющая поверхность одного каскада
охлаждается теплопоглощающей поверхностью предыдущего. Модули разделяют
очень тонкими электроизоляционными прокладками.
Внутри вакуумированного корпуса с системой охлаждения и закрепленным на ней
приемником (ФПУ) можно разместить датчик системы термостабилизации, например
термистор.
Не имея двигающихся частей, эти охладители чрезвычайно надежны и долговечны.
Они могут работать в вакууме и в условиях невесомости при любой ориентации конст-
рукции. Их использование заметно упрощает конструкцию, уменьшает массу, габариты
и энергопотребление, увеличивает долговечность и надежность, снижает стоимость
7.8. Устройства охлаждения и температурной стабилизации матричных МПИ
199
системы. Термоэлектрические холодильники имеют сравнительно высокие значения
КПД (несколько процентов).
Основными их недостатками являются невозможность получить большой перепад
Л/' температур охлаждения и окружающей среды, а также ограничение по допустимой
тепловой нагрузке. Для однокаскадных холодильников этот перепад составляет не-
сколько десятков градусов (60...70 К), а при использовании четырех-пяти каскадов он
достигает 120... 130 К.
В большинстве современных конструкций допустимая тепловая нагрузка определя-
ется не столько теплопроводностью соединений охлаждаемых и неохлаждаемых частей
ФПУ и электронного тракта, как это имело место в ИКС 1-го и 2-го поколений, сколько
джоулевым теплом, рассеиваемым в чувствительных элементах приемника и схеме
считывания сигналов с этих элементов. Создание ФПУ с мультиплексированием сигна-
лов непосредственно в кристалле, на котором формируются чувствительные элементы
и схема считывания, заметно упростило
требования к системе охлаждения, даже
при существенном увеличении числа чув-
ствительных элементов, т.е. формата
МПИ.
С учетом тенденций развития ИКС, в
которых не требуется глубокое охлажде-
ние, разработки полупроводниковых тер-
моэлектрических криогенных систем
весьма перспективны. Так, рабочая темпе-
ратура приемников на базе КРТ, работаю-
щих в спектральном диапазоне 3...5 мкм,
может достигать 170...200 К, что обеспе-
чивается с помощью трех- или четырех-
каскадных термоэлектрических холодиль-
ников.
Малогабаритные и надежные много-
ступенчатые термоэлектрические холо-
дильники на базе элементов из теллурида
висмута (Bi2Te3) за 8... 10 мин могут соз-
давать температурный перепад (снижение
Место
расположения
охлаждаемого
ИК-приемника
Радиатор
Рис. 7.28. Схема термоэлектрического
охлаждающего модуля
температуры приемника относительно окружающей температуры в +20°С) в 137 К (для
шестиступенчатой конструкции) и 166 К (для семиступенчатой) при отводимой мощ-
ности рассеяния 20 мВт [221]. Размеры опытного образца термоэлектрического холо-
дильника, разработанного в Японии, составляли: длина 2,3 мм, площадь поперечного
сечения 1,3х 1,3 мм2, теплопроводность 3,2 Вт/мК при окружающей температуре 300 К,
напряжение питания 14 В.
Разогрев подложки МПИ джоулевой мощностью, выделяемой током смещения от-
дельных элементов чувствительного слоя и токами, протекающими в цепях считывания
200
Глава 7. Матричные многоэлементные приемники оптического излучения
сигналов с этих элементов, вызывает температурный дрейф чувствительности микро-
болометрических МПИ. Кроме того, как уже указывалось, очень важно компенсировать
изменение температуры окружающей среды. Для стабилизации рабочей температуры
таких МПИ в ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова» разработана специальная термоэлектри-
ческая система автоматического регулирования температуры [28]. Система позволяет
стабилизировать температуру микроболометрической матрицы, объединенной в одном
корпусе с системой считывания сигналов, в интервале 1О...25°С с погрешностью не бо-
лее ±0,0025°С при окружающей температуре 15...30°С. Это позволяет получать значе-
ния ДТП микроболометрического МПИ не хуже 0,03°С.
В настоящее время ряд фирм-производителей выпускает широкую номенклатуру
термоохлаждающих модулей (ТОМ). Так, в табл. 7.12 представлены технические ха-
рактеристики некоторых ТОМ, выпускаемых фирмой «MELCOR» (США) и показанных
на рис. 7.29.
В [51] приводятся параметры и характеристики и других зарубежных типичных
термоэлектрических охлаждающих устройств, например, шестикаскадного криостата
для получения температуры охлаждения 170 К и восьмикаскадного для получения
Г = 145 К при температуре окружающей среды 325 К и потребляемой мощности 40 Вт.
Холодопроизводительность последнего составляет 10 мВт.
Более подробные сведения об устройствах охлаждения приемников излучения со-
держатся в многочисленной литературе [18, 51, 57, 130, 151, 221, 242 и др.].
Рис. 7.29. Образцы термоохлаждающих модулей, выпускаемых фирмой «MELCOR»
7.8. Устройства охлаждения и температурной стабилизации матричных МПИ
201
Таблица 7.12
Технические характеристики и габариты термоохлаждающих модулей
серии Polar ТЕС фирмы «MELCOR»
Наименование по каталогу Th = 25°С Ат Габариты, мм
Ли, А Стах, Вт vm, В АТпи» °C А В С D2
РТ2-12-30 РТЗ-12-30 РТ4-7-30 РТ4-12-30 РТ4-12-40 РТ6-7-30 РТ6-12-40 РТ8-7-30 РТ8-12-40 2,3 2,8 3,7 3,9 3,7 6,0 6,0 8,5 8,5 20 24 18 33 32 29 52 40 72 14,4 14,4 8,1 14,41 4,4 8,1 14,4 8,1 14,4 65 65 67 65 67 65 65 64 64 127 127 71 127 127 71 127 71 127 30 30 30 30 40 30 40 30 40 30 30 30 30 40 30 40 30 40 34 34 34 34 34 34 34 34 34 3,6 3,2 4,1 3,2 4,1 3,8 3,8 3,3 3,3
Примечание. Здесь обозначено: 1т - входной ток при наибольшем значении ДГ (ДГпих), А; бтах - максимальное количество тепла, которое может быть абсорбировано холод- ной поверхностью (возникает при I = 1т, АТ= 0) Вт; Vm - напряжение при ДТ^; Th - температура на горячей поверхности элемента во время работы, °C; Д7тах - макси- мальная разность температур, которая может быть получена на элементе (возникает при I - 1т, Qc = 0), °C; NT - число термопар (р- и «-пары).
Глава 8
ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ И
ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ИНФРАКРАСНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
8.1. ЭЛЕКТРОННО-ОПТИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Отдельную группу оптико-электронных систем визуализации инфракрасных изо-
бражений составляют приборы ночного видения (ПНВ), в которых в качестве приемни-
ка и преобразователя оптического сигнала ближнего ИК-диапазона в видимое изобра-
жение используется электронно-оптический преобразователь (ЭОП) - электровакуум-
ный прибор, предназначенный для преобразования спектрального состава излучения и
(или) усиления яркости изображения. Физические принципы и механизм работы ЭОП
неоднократно рассматривались в литературе [13, 16 и др.].
На рис. 8.1 представлена функциональная схема ИКС с ЭОП так называемого нуле-
вого поколения, где 1 - объектив, строящий инфракрасное изображение пространства
объектов на фотокатоде 2, нанесенном на внутреннюю поверхность вакуумированной
стеклянной колбы 3; 4 - система формирования электронного изображения (фокуси-
рующая и ускоряющая система); 5 - люминесцентный экран; 6 - окуляр; 7 - глаз или
какое-либо устройство для регистрации видимого изображения (телевизионная камера,
ПЗС-матрица, фотопленка и т.п.).
Конструкция блока питания ЭОП обычно состоит из двух частей: низковольтного
источника («внешнего») и преобразователя низкого напряжения в высокое, необходи-
Рис. 8.1. Функциональная схема ПНВ с ЭОП
нулевого поколения
мое для создания большой разности по-
тенциалов (до десятков киловольт) между
анодом и фотокатодом, а также между
электродами фокусирующей и ускоряю-
щей системы и фотокатодом («внутрен-
ний» источник питания). Потребляемый
при этом ток очень мал.
Многие параметры ЭОП и ПНВ опре-
деляются через параметры основных узлов
8.1. Электронно-оптические преобразователи
203
X, мкм
Рис. 8.2. Спектральные характеристики фотокатодов
типов S-1 (1); Super S-25 (2); S-25 (3); GaAs (4);
GaAs:In (5)
ЭОП: фотокатода, фокусирующей и отклоняющей систем, экрана-анода. На рис. 8.2
приведены спектральные характеристики наиболее употребляемых в ЭОП фотокато-
дов. Важными параметрами и характеристиками фотокатодов также являются: инте-
гральная и спектральная чувствительности, которые часто в литературе и каталогах
приводятся по отношению к световому потоку, (например, в мимроамперах на люмен),
и потому для ИК-диапазона спектра они должны быть пересчитаны по известным ме-
тодикам (см., например, [61]) к потоку излучения (например, в мкА/Вт); плотность
темнового тока при рабочей темпера-
туре фотокатода\ линейность харак-
теристики фотокатода (энергетиче-
ской); пороговая чувствительность или
облученность фотокатода; размер (ра-
бочий диаметр) фотокатода и др.
В ЭОП первого поколения, рабо-
тающих в ИК-области спектра, чаще
использовались серебряно-кислородно-
цезиевые фотокатоды, чувствительные
к излучению с длинами волн до 1,3...
1,4 мкм. Их средний квантовый выход
составляет около 0,5%, а интегральная
чувствительность - несколько сотен (до
1 000) миллиампер на люмен.
К числу важнейших параметров лю-
минесцирующих экранов-анодов совре-
менных ЭОП относятся: спектральная
характеристика излучения экрана (см.,
например, рис. 8.3); интегральная яр-
кость свечения экрана (максимальная,
минимальная, в режиме автоматической
регулировки яркости экрана); светоот-
дача, т.е. отношение энергии, излучаемой единицей площади экрана, к мощности облу-
чающих ее электронов; разрешающая способность или пространственно-частотная
характеристика; размер экрана; инерционность или время послесвечения люминофо-
ра', яркость темнового фона, т.е. яркость экрана в отсутствие облучения фотокатода,
но при наличии номинального рабочего питающего ЭОП напряжения (напряжения ме-
жду экраном-анодом и фотокатодом).
По времени послесвечения экраны иногда делят условно на пять групп: 1) с очень ко-
ротким послесвечением (10 5 с), 2) с коротким (10-5... 10 2 с), 3) со средним послесвече-
нием (10~2... 10-1 с), 4) с длительным (0,1... 16 с), 5) с очень длительным (более 16 с).
Для визуального наблюдения обычно выбирают люминофоры на базе легирован-
ных медью и серебром соединений ZnS и ZnSe, ZnS и CdS, создающие желто-
зеленое свечение.
204
Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
Большинство перечисленных параметров и характеристик используется для описа-
ния ЭОП в целом или для определения важнейших специфических параметров и харак-
теристик ПНВ. К их числу обычно относят:
- коэффициент преобразования потока излучения (т|) - отношение светового пото-
ка, излучаемого экраном, к потоку излучения, пришедшему на фотокатод;
- коэффициент яркости ЭОП (т)£) - отношение энергетической яркости экрана,
оцененной конкретным приемником при заданных условиях облученности фотокатода,
к энергетической яркости идеальной диффузно отражающей пластины, оцененной тем
же приемником при тех же условиях облучения;
- яркость темнового фона ЭОП - яркость свечения экрана ЭОП при отсутствии об-
лучения фотокатода;
- размеры рабочих полей (поверхностей) фотокатода и экрана ЭОП,
— электронно-оптическое увеличение ЭОП (Гэ), равное отношению размера изобра-
жения объекта на экране ЭОП к размеру соответствующего ему изображения на фото-
катоде;
- динамический диапазон облученности, в котором работает ОЭП;
- увод, поворот и эксцентриситет изображения, характеризующие несовпадение
систем координат изображений на фотокатоде и экране ОЭП;
Рис. 8.3. Спектральная характеристика
(яркость) свечения фосфора Р-20
- общее увеличение ПНВ (Гпнв), которое
обычно определяется как Гпнв = Гэ (f’o^/f'o^,
где /об и/ок - фокусные расстояния объекти-
ва и окуляра прибора соответственно;
- коэффициенты передачи контраста и
пространственная частотно-контрастная
характеристика ЭОП,
- разрешающая способность (предел раз-
решения) ЭОП и ПНВ в целом или простран-
ственно-частотные характеристики ЭОП и
ПНВ;
- напряжение питания и потребляемый
ток ЭОП;
- габаритные размеры и масса;
— минимальное время наработки;
- тип контактов и ряд других параметров
и характеристик конструкции ЭОП и ПНВ.
Преобразователи нулевого поколения ин-
верторного типа, т.е. с оборачиванием изо-
бражения (в США их также называют ЭОП
первого поколения - GEN1), имеют плоские
входные и выходные окна вакуумированного
корпуса. Их коэффициенты преобразования
достигают 1000. Основным недостатком этих
8.1. Электронно-оптические преобразователи
205
ЭОП является неравномерное разрешение по полю изображений, заметно снижающее-
ся от центра к краям. Фотокатод сферической формы и объективы, кривизна изображе-
ния которых совпадает с кривизной фотокатода, чрезмерно усложняют оптическую
систему и поэтому редко используются на практике.
Для улучшения равномерности разрешающей способности более приемлемо разме-
щение на входе и (или) на выходе ЭОП волоконно-оптических элементов (ВОЭ) -
плосковогнутых волоконно-оптических пластин. Такие приборы называют ЭОП перво-
го поколения (в США — GEN1+). Однако при этом ЭОП становится заметно дороже, так
как 30% его стоимости и более приходится на ВОЭ. Кроме того, применение ВОЭ ве-
дет к дополнительным оптическим потерям. Поэтому для улучшения качества изобра-
жения в ЭОП инверторного типа с плоскими фотокатодами предлагается ряд решений
[13, 181], из которых наиболее известна магнитная система фокусировки - весьма гро-
моздкая и требующая сравнительно мощных источников питания.
Другим решением проблемы является установка мелкоструктурной сетки в отвер-
стии диафрагмы, размещаемой перед анодом ЭОП. Такая система фокусировки позво-
ляет уменьшить длину ЭОП при неизменном диаметре фотокатода и улучшить качест-
во изображения по полю. Примером эффективности этого конструктивного решения
явилась разработка малогабаритного ЭОП O-super с рабочим диаметром фотокатода
14 мм при общем диаметре ЭОП 30 мм и длине 24 мм [58]. Разрешение ЭОП в центре
поля составило 40...45, а на диаметре 12 мм - 15...20 линий на миллиметр. Чувстви-
тельность фотокатода с фильтром К-17 >160 мкА/лм, коэффициент усиления яркости
> 500, яркость темнового фона < 210-3 кд/м2.
Для увеличения коэффициента преобразования ЭОП составляют из нескольких кас-
кадов (модулей). В качестве примера на рис. 8.4 показано устройство трехкаскадного
ЭОП первого поколения. Входное ИК-
изображение строится объективом на
передней поверхности ВОЭ - 1 и переда-
ется на фотокатод 2 первого каскада I.
Электронно-оптическая система 3 ускоря-
ет и фокусирует испускаемые за счет фо-
тоэмиссии электроны на люминесцентном
экране 4. Полученное таким образом в
каскаде I изображение передается через
однотипные каскады II и III с большим
Рис. 8.4. Трехкаскадный ЭОП первого поколения
усилением по яркости на выходной экран
5 (экран каскада III) и выходной ВОЭ 6. Напряжения, подаваемые на электронно-
оптические ускоряющие системы и экраны-аноды, увеличиваются от каскада к каскаду,
достигая нескольких десятков киловольт.
Для изменения масштаба изображения в ЭОП могут использоваться ВОЭ с кониче-
скими волокнами, позволяющими изменять соотношение между диаметрами фотокато-
да и экрана-анода.
206
Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
Фотоэмиссионное
покрытие
Входящий в Лавина
капилляр
МКП
электрон
вторичных
электронов
Рис. 8.5. Устройство и принцип работы МКП: а - общий
вид МКП, б - схема процесса вторичной электронной
эмиссии, в - МКП в разрезе
В ЭОП следующего, второго,
поколения для увеличения коэффи-
циентов преобразования и яркости
применяется микроканальный уси-
литель вторичной эмиссии - микро-
канальная пластина (МКП), пока-
занная на рис. 8.5,а. Диаметры ка-
налов современных МКП DK со-
ставляют 5...6 мкм при периодах
размещения отдельных элементов
DK 6,5...7,5 мкм. Поскольку исполь-
зование МКП исключает дисторсию
изображения, что очень важно, раз-
решение современных ЭОП с МПК
достигает 64 лин/мм и более.
Нужно отметить, что возникно-
вение «обратного» потока положи-
тельных ионов, бомбардирующих
фотокатод (рис. 8.5,6), существенно
укорачивает срок службы ЭОП. Для
ослабления этого потока использу-
ются ионно-барьерные пленки, пре-
пятствующие приходу ионов на фо-
токатод. Однако такие пленки од-
новременно ослабляют и поток
эмитгируемых фотокатодом элек-
тронов, что существенно уменьшает
коэффициенты преобразования и
яркости ЭОП.
Чтобы эмиттируемые электроны
не пролетали сквозь капилляры
МКП без соударения со стенками,
на которые нанесен фотоэмиссион-
ный слой, оптические оси капилля-
ров располагают под некоторым углом а относительно нормали к торцевой поверхно-
сти МКП (рис. 8.5,в).
Коэффициент усиления, характеризующий МКП, зависит от диаметра капилляров DK
и угла а, а также от отношения длины (толщины) МКП ZMKn к ее диаметру 2)мкп. При уве-
личении отношения ДноДЭмкп приходится несколько увеличивать питающее МКП напря-
жение, однако это окупается значительным ростом коэффициента усиления (табл. 8.1).
Структура ЭОП с МКП показана на рис. 8.6. Расстояния между фотокатодом и МКП
и между МКП и экраном должны выбираться как можно меньшими, так как это увели-
8.1. Электронно-оптические преобразователи
207
чивает разрешающую способность ЭОП. Благодаря применению МКП удалось сущест-
венно уменьшить продольные размеры ЭОП и использовать их в нашлемных ПНВ, оч-
ках и биноклях ночного видения (см. гл. 14).
Параметры различных типов МКП
Таблица 8.1
Конфигурация МКП Отношение •^'мкг/®мкп Максимальное питающее напряжение, В Коэффициент усиления
Одиночная МКП 40:1 60:1 1000 1200 >4-103 >1104
Шеврон 40:1 60:1 2000 2400 >4-10б >1-107
Z-стак ; 40:1 60:1 3000 3600 >31О7 >2-108
Поскольку при большой облученности фотокатоды ЭОП могут разрушаться, мно-
гие ПНВ с ЭОП оснащаются системой автоматической регулировки яркости (АРЯ) и
системой защиты от ярких источников облучения. Система АРЯ управляет напряже-
нием, питающим МКП, а система защиты от ярких источников, использующая регу-
лируемые диафрагмы и заслонки (обтюраторы), может даже отключать источник пи-
тания ЭОП.
Преобразователи второго поколения
выполнялись и выполняются, в основном,
в виде однокамерных устройств с ВОЭ на
входном окне и с ВОЭ в качестве выход-
ного окна, с МКП, а также со вторичным
(высоковольтным) источником питания,
конструктивно объединенным с вакууми-
рованной колбой ЭОП.
В ЭОП второго поколения (ЭОП II
или GEN II) используются мультищелоч-
ные фотокатоды, чувствительные в
ближнем ИК-диапазоне (С25 и C25R), по-
зволяющие обнаруживать лазерное излу-
чение (лазерную подсветку) на длине
волны А, = 1,06 мкм.
В качестве примера в табл. 8.2 приве-
дены параметры некоторых МКП для
ЭОП II, предназначенных как для преоб-
разования изображений, так и для обна-
ружения подсветки ПНВ противником.
Микроканальная
Катодолюминесцентный
экран
Рис. 8.6. Структура ЭОП второго поколения с
микроканальным усилителем (МКП)
208
Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
Параметры МКП фирмы GALILEO
Таблица 8.2
Входной диаметр, мм Диаметр МКП, мм Межцентровое расстояние капилляров Dw мкм Диаметр капилляра DK, мкм Угол наклона а, у гл. град.
18 24,77 6 5 5
18 24,77 10 8 5
18 24,77 12 10 5
25 32,74 32 25 8
25 32,74 12 10 12
40 50,04 32 25 8
40 50,04 12 10 8
75 86,61 32 25 8
Разработка новых фотокатодов, в частности на базе GaAs, квантовая эффективность
которых достигает 30%, позволила создать ЭОП без электростатической фокусирую-
щей системы, т.е. работающие по схеме прямого переноса фотоэлектронов и усиления
в МКП (ЭОП П+ и третьего поколений). Для инвертирования изображения на выходе
таких ЭОП применяют специальные волоконно-оптические оборачивающие элементы
- «твистеры». В таких бипланарных конструкциях (ЭОП III или GEN III) (рис. 8.7), ис-
пользуют плоскопараллельный волоконно-оптический элемент ВОЭ 1, плосковогнутый
волоконно-оптический элемент ВОЭ 2, а также плоскопараллельный оборачивающий
изображение ВОЭ 3 и микроканальную пластину МКП.
Технология изготовления ЭОП III, в частности, обеспечивающая строгую парал-
лельность фотокатода, торцев МКП и экрана-анода, а также ультравысокий вакуум при
сборке этих пребразователей (до КГ10 Торр), весьма сложна. Поэтому преобразователи
третьего поколения в несколько раз дороже ЭОП II, однако срок службы их гораздо
Рис. 8.7. Схемы ЭОП бипланарных конструкций
больше. В настоящее время в
ПНВ массового применения ши-
роко используются ЭОП II, а в
более ответственных системах -
ЭОП III.
Дальность действия ряда ПНВ с
ЭОП III, работающих в условиях
облученности звездным небом, за-
тянутым облаками, возросла более
чем в два раза по сравнению с ПНВ
на базе ЭОП П [13].
Совершенствование конструк-
ций ЭОП позволило заметно уве-
личить их интегральную чувстви-
тельность (до 1800...2500 мкА/лм
8.1. Электронно-оптические преобразователи
209
Фотокатод AniBv
Рис. 8.8. Схема ЭОП с эмиттером,
работающим на прострел
для ЭОП III), отношение сигнал-шум (до 20 крат) и разрешение (до 60 и более пар
линий на 1 мм).
За рубежом основными поставщиками ЭОП II и III являются американские фирмы
«ITT Night Vision» и «Litton Electrooptical Systems Division». Параметры ряда отечест-
венных ЭОП второго и третьего поколений приведены в табл. 8.3.
Преобразователи бипланарной конструкции, работающие по схеме прямого перено-
са с микроканальным беспленочным усилителем и имеющие встроенный источник пи-
тания, функционирующий в режиме стробирования, принято называть ЭОП четвертого
поколения (ЭОП IV, GEN IV). Такие ЭОП имеют разрешающую способность не менее
64 пар линий на 1 мм и интегральную чувствительность не менее 2500 мкА/лм.
Перед разработчиками ЭОП стоит важная задача -
достичь длинноволновой границы спектральной чувст-
вительности фотокатода порядка 1,8 мкм, поскольку
это позволит обнаруживать лазерную подсветку на
длинах волн 1,06 и 1,54 мкм, создавать активно-
импульсные ПНВ, например дальномеры-локаторы и
целеук^затели.
В последние годы появились сведения о разработках
фотокатодов из GaAs, легированного In, у которых
длинноволновая граница чувствительности достигает
1,6... 1,7 мкм [65]. Это позволяет ПНВ работать при бо-
лее высокой естественной ночной облученности, кото-
рая в диапазоне 1,4... 1,8 мкм в безлунную ночь на два
порядка выше, чем в диапазоне 0,4...0,9 мкм. Кроме того, при переходе к диапазону
1,4... 1,8 мкм уменьшается влияние атмосферного рассеяния (см. гл. 3), а контрасты
многих объектов на естественных фонах выше и более стабильны, чем в диапазоне
0,4...0,9 мкм, где работает большинство современных ЭОП.
Разработки в области создания сверхтонких пленок из GaAs и других материалов
позволяют по-новому оценить перспективность ЭОП с работающими на прострел
эмиттерами, использование которых наиболее оптимально при их толщинах 1.. .3 мкм и
диаметрах 8... 10 мм. В таком ЭОП (рис. 8.8), созданном в ОАО «НИИ электронных
приборов», устраняется ослабление потока оборачивающим ВОЭ и существенно
уменьшаются шумы при усилении электронного потока. Разрешение определяется раз-
мерами и шагом ячеек анодной сетки и может достигать 60...70 штр./мм. Поскольку в
ЭОП отсутствует МКП, то вполне достижимы уровни чувствительности 2500 мкА/лм и
выше при большой долговечности [58].
Интересны сообщения о разработках новых ЭОП - пироэлектрического (или пиро-
эмиссионного) типа [30]. На рис. 8.9 показано устройство одного из важнейших эле-
ментов таких ЭОП - тонкопленочной пироэлектрической мишени, представляющей со-
бой управляемую матрицу на базе органического пироэлектрика. Здесь 1 - тонкий про-
водящий электрод, 2 - пленка пироэлектрика, 3 - фотоэмиссионная проводящая сетка,
4 - кольцевой электрод. Мишень имеет на порядок более высокую виброустойчивость,
210
Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
Параметры отечественных ЭОП
Параметр ЭОП II
ЭПМ 44Г ЭПМ 103Г (01-2А, 02-2А, 03-2А, 04-2А) ЭПМ 103Г (01-2Б, 02-2Б,- 03-2Б, 04-2Б)
Чувствительность фотокатода, min:
интегральная, мкА/лм 200 500 220
с фильтром КС-17, мкА/лм 120 220 130
спектральная надлине волны 850 нм, мА/Вт 12 35 14
Предел разрешения, штр/мм 30 36 33
Отношение сигнал-шум 40 50 40
Коэффициент преобразования 2x104 2,5*104 2,5*104
Яркость темнового фона, max, кд/м2 1,2*10“’ 1,5*10“’ 1,5*10“’
Яркость экрана в режиме автоматической регулировки яркости, кд/м2 — 2...5 2...5
Коэффициент передачи контраста на пространственной частоте
2,5 штр/мм 0,83 0,83 0,83
7,5 штр/мм 0,56 0,58 0,58
15 штр/мм 0,26 0,28 0,28
Ток потребления, мА 20 16 20
Габаритные размеры, мм 043x22,5 043x29,4 043*29,4
Масса, г 55 100 90... 100
Минимальная наработка, ч 1000 2000 2000
Тип фотокатода S25 S25 S25
Рабочий диаметр фотокатода, мм 18 18 18
Материал выходного окна - стекло С95-2 С95-2 С95-2
Тип контактов Г ибкие Гибкие Пластины
Примечания:
1. Вогнутые инвертирующие ВОЭ применены в ЭПМ 103 Г (01-2А, 01-2Б), ЭПМ 104Г (01-1А, 01-1Б),
применены в ЭПМ 103Г (02-2А, 02-2Б), ЭПМ 104Г (02-1 А, 02-1Б), ЭПМ 102Г (02-1, 02-2), ЭПМ 101Г
ЭПМ 101Г (03-1, 03-2); прямые плоские ВОЭ применены в ЭПМ 103Г (04-2А, 04-2Б), ЭПМ 102Г
стекло С95-2.
2. Габаритные размеры ЭПМ 102Г (05-2) равны 0 43*22,5 мм.
3. Напряжение питания всех ЭОП составляет 2,8 ± 0,8 В.
чем мишени из кристаллических пироэлектриков на триглицинсульфате, и работает в
большом диапазоне температур (-6О...+5О°С).
Преобразователь работает следующим образом (рис. 8.10). Объектив 1 через вход-
ное окно 2 строит изображение пространства объектов на передней поверхности пиро-
электрической мишени 3, задняя поверхность которой с нанесенной на нее фотоэмис-
сионной сеткой равномерно облучается осветителем 4. За счет пироэлектрического эф-
фекта различно нагретые изображением участки мишени приобретают различный по-
ложительный заряд. Прикладывая отрицательное импульсное напряжение к тонкому
8.1. Электронно-оптические преобразователи
211
Таблица 8.3
общего назначения ОАО «Катод»
ЭОП II ЭОП III
эпм 104Г ЭПМ 102Г (01-1,02-1, 04-1) ЭПМ 102Г (01-2,02-2, 03-2,04-2) ЭПМ 101Г (01-1,02-1, 03-1,04-1, 05-1) ЭПМ 101Г (01-2,02-2, 03-2,04-2, 05-2)
500 220 — — — —
220 130 500 500 500 500
35 14 70 70 80 80
36 33 30 30 31 31
50 40 45 45 50 50
2,5x104 2,5x104 2x104 2x104 2x104 2x104
1,5х10~3 1,5хЮ“3 5x10-3 5х 10’3 5x10"3 5x103
2...5 2...5 3...5 3...5 3...5 3...5
0,83 0,83 0,80 0,80 0,82 0,82
0,58 0,58 0,50 0,50 0,55 0,55
0,28 0,28 0,20 0,20 0,25 0,25
16 20 25 25 25 25
036,7x31,1 036,7x31,1 043x29,4 043x29,4 036,7x31,1 036,7x31,1
85 85 90... 100 60... 100 65...85 65...85
2000 2000 1000 1000 2000 2000
S25 S25 GaAs GaAs GaAs GaAs
18 18 17,5 17,5 17,5 17,5
С95-2 С95-2 А54-1 А54-1 А54-1 А54-1
Пластины Пластины Пластины Гибкие Пластины Г ибкие
ЭПМ 102Г (01-1), ЭПМ 102Г (01-2, 03-2), ЭПМ 101-Г (01-1, 01-2); плоские инвертирующие ВОЭ (02-1,02-2); прямые вогнутые ВОЭ применены в ЭПМ 103Г (03-3А, ОЗ-ЗБ), ЭПМ 102Г (03-1, 03-2), (04-1,04-2), ЭПМ 101Г (04-1,04-2); в ЭПМ 44Г, ЭПМ 102Г (05-2), ЭПМ 101Г (05-1, 05-2) применено
проводящему электроду на входе мишени, можно снизить потенциал поля перед фото-
эмиссионной сеткой, т.е. создать некоторое отрицательное смещение на сетке-
фотокатоде, а также полностью подавить фотоэмиссию в начале каждого цикла работы
мишени, т.е. «обнулять» потенциал на поверхности мишени, как того требует физиче-
ский механизм работы пироэлектрика, реагирующего на изменение температуры его
поверхности. Распределение положительных зарядов в пироэлектрической мишени по-
вторяет распределение яркости в изображении, построенном объективом, а распреде-
ление количества электронов, эмиттируемых фотокатодом с разных его участков, соот-
212
Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
Рис. 8.9. Пироэлектрическая мишень:
а - разрез, б - вид снизу
ветствует этому распределению. С помощью элек-
тростатической ускоряющей 5 и магнитной фокуси-
рующей 6 систем электронное изображение строит-
ся на люминесцентном экране 7, а с помощью ВОЭ
8 изображение оборачивается и рассматривается на-
блюдателем (окуляр на рис. 8.10 не показан).
Для уменьшения фона из-за фотоэмиссии, проис-
ходящей во время отсутствия импульса напряжения,
подаваемого на входной электрод мишени, необхо-
димо или увеличивать время цикла «опроса» мише-
ни, или отключать осветитель 4. Изменение времени
цикла «опроса» должно соответствовать времени, не-
обходимому для восстановления поверхностного по-
тенциала пироэлектрика до первоначального уровня. Снизить уровень шумов можно,
выбрав оптимальные амплитуды, форму и длительность импульсов напряжения, а так-
же управляя работой осветителя.
Начиная с 70-х годов, ЦНИИ «Электрон» (С.-Петербург), Институт высоких энергий
(Протвино), а также некоторые зарубежные фирмы («RCA», «Pixel Vision Inc.», «Hama-
matsu», «Phetek Ltd.») успешно разрабатывают конструкции гибридно-модульных пре-
образователей (ГМП). В таких устройствах модуль ЭОП с МКП преобразует инфра-
красное изображение в видимое, которое с помощью проекционного объектива или во-
локонно-оптического элемента, состыкованного с экраном-анодом, подается на ПЗС
или МПИ.
Модульная конструкция таких систем позволяет заменять дефектные ЭОП или ПЗС.
К их достоинствам также относятся возможности изменять масштаб изображения в
достаточно больших пределах (до 10 крат и более) и проецировать на ПЗС-матрицу с
помощью переключающихся или дихроичных зеркал изображение не только ИК-, но и
дневного канала оптической системы. Такие ГМП могут работать при низких уровнях
освещенности (до 10 5 лк), а их динамический диапазон в непрерывном режиме работы
достигает 105. Поскольку ЭОП на
Рис. 8.10. Схема ЭОП с пироэлектрической мишенью
входе ГМП ограничивает динами-
ческий диапазон сигналов сверху,
увеличение этого диапазона (до
1011) возможно только при им-
пульсном режиме (режиме строби-
рования).
Если размер ПЗС-матрицы
меньше размера экрана ЭОП, то
при использовании ГМП уменьша-
ется масштаб изображения, что
снижает разрешающую способ-
ность системы, но улучшает каче-
8.1. Электронно-оптические преобразователи
213
ство изображения за счет уменьшения шумов экрана. Одним из недостатков таких ГМП
является увеличение продольных размеров системы.
В ЦНИИ «Электрон» для стыковки с различными ЭОП разработаны охлаждаемые
до -ЗО...-35°С ПЗС-матрицы формата 768x580 пикселов с размерами 27x27 мкм и
входным окном в виде ВОЭ с разрешением 50 штр./мм и коэффициентом передачи
контраста 0,75. Масса модуля - 1320 г, габаритные размеры -072x23мм.
Более просты конструкции систем, в ЭОП которых встроены МПИ, заменяющие со-
бой экран-анод, т.е. здесь поток усиленных и сфокусированных электронов бомбарди-
рует непосредственно чувствительный слой МПИ со стороны утонченной подложки. В
таких конструкциях меньше потери мощности сигнала, больше отношение сигнал-шум
и динамический диапазон принимаемых сигналов, меньше габариты и масса.
Нужно отметить, что несмотря на высокую чувствительность разрешающая способ-
ность и ФПМ систем с ГМП хуже, чем у обычных телевизионных, поскольку в оптиче-
ский тракт вводятся дополнительные элементы, прежде всего ЭОП, ухудшающие по-
мехоустойчивость системы к внешним световым помехам и удорожающие ее. Как со-
общается в [20], срок службы таких устройств на базе бомбардируемых электронами
кремниевых ПЗС при освещенностях порядка 102 лк составляет несколько тысяч ча-
сов. Поскольку для получения одной электронно-дырочной пары в кремнии необходи-
ма энергия в 3,6 эВ, коэффициент электронного усиления в таких устройствах опреде-
ляется как
K,=e(v,-V.)/3,6,
где е - заряд электрона; V.A - ускоряющее напряжение; Vn - пороговое напряжение, не-
обходимое для начала процесса электронной бомбардировки.
В ЦНИИ «Электрон» были созданы система IISD-16 и ее модификации на базе ЭОП I
«Шар 2» и ПЗС-матрицы формата 532x290 с разрешающей способностью 390 телеви-
зионных линий при освещенности от 10-2 до 10 3 лк [20], а в НИИОФИ и НИИЭПР -
аналогичные ГМП на базе ЭОП ПМ-031 и «Ясень», имеющих диаметр фотокатода
40 мм и ПЗС-матрицы формата 1024x1024.
Фирма «Hamamatsu» (Япония) разработала модели ГМП №7220-61 и 7640-61, с
GaAs-фотокатодом, чувствительным в диапазоне спектра 0,37...0,92 мкм. В первой мо-
дели размер фотокатода составляет 12,2x12,2 мм, число пикселов - 512x512, электрон-
но-оптическое усиление - 1300 при питающем ЭОП напряжении 8 кВ. Во второй моде-
ли размер фотокатода составляет 9,2x6,8 формат - 512x512, усиление - 700 при напря-
жении 6 кВ.
Основными трудностями, с которыми приходится сталкиваться разработчикам по-
добных систем, являются: сохранение работоспособности МПИ и схем считывания при
электронной бомбардировке, когда может возникнуть рентгеновское излучение; состы-
ковка материалов МПИ с материалами, используемыми для создания вакуумных камер;
сохранение МПИ и ПЗС в процессе изготовления конструкции, когда температура тех-
нологического процесса, продолжающегося несколько часов, достигает 350°С.
214 Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
Хотя большинство известных подобных устройств предназначено для работы в ви-
димой области спектра, создание новых фотокатодов с достаточно большой чувстви-
тельностью в ИК-диапазоне позволяет надеяться на успешное использование принципа
сопряжения ЭОП и усилителей яркости изображения с МПИ в разнообразных ИКС
«смотрящего» типа.
Еще одним перспективным направлением развития ЭОП является создание цветных
преобразователей и усилителей яркости изображений. Как известно, цвет играет важ-
нейшую роль в восприятии окружающей среды, и от его присутствия в построенном
изображении во многом зависит информационная емкость последнего. (Некоторые
особенности зрительного аппарата человека, в том числе и восприятия цвета, будут
описаны в гл. 11.)
Системы с образованием цветных изображений смешением трех (а в отдельных слу-
чаях и двух) монохроматических или близких к ним потоков могут использовать про-
странственное смешение либо одновременное, либо поочередное во времени. Для обра-
зования видимых цветных изображений наиболее распространенными являются крас-
ная (R), зеленая (G) и синяя (В) составляющие с длинами волн 700; 546,1 и 435,8 нм со-
ответственно.
Принцип действия цветного ЭОП прямого переноса с пространственным смешени-
ем монохроматических составляющих поясняет рис. 8.11. Входной ВОЭ 2, располо-
женный в корпусе ЭОП 1, состоит из тонких оптических волокон, которые являются
одновременно световодами и оптическими фильтрами (2r, 2g и 2в на рисунке). Эти
фильтры сгруппированы в RGB-триады, равномерно распределенные по сечению ВОЭ.
Ввд А
0
-180 В
+900 В + 6 кВ
Рис. 8.11. Структурная схема «цветного» ЭОП прямого переноса
8.1. Электронно-оптические преобразователи
215
Фотокатод 4, нанесенный на внутреннюю поверхность ВОЭ, имеет достаточно равно-
мерную чувствительность во всей области пропускания монохроматических потоков R,
G и В. Внутри корпуса 1 устанавливается МКП 5, капилляры которой имеют тот же
диаметр, что и волокна ВОЭ 2. Каждое отверстие канала МКП является проекцией со-
ответствующего волокна ВОЭ 2 на поверхность МКП. На входную и выходную сторо-
ны МКП наносятся токопроводящие пленки. Выходное окно 3 преобразователя состоит
из экранного стекла 6, полупрозрачной токопроводящей пленки 7 и большого числа зе-
рен люминофора красного (3r), зеленого (3g) и синего (Зв) свечения, которые также
сгруппированы в RGB-триады и равномерно распределены по поверхности экрана.
Структура и расположение этих триад сопряжены через МКП с учетом наклона ее ка-
налов со структурой триад на поверхности ВОЭ 2. На электроды ЭОП подаются посто-
янные напряжения, примерные значения которых указаны на рис. 8.11.
Вследствие малости расстояния между фотокатодом и МКП (порядка 0,1 мм) элек-
троны не рассеиваются и отклоняются, а ускоряются под действием электрического
поля (-180 В; земля) и практически без потерь попадают в расположенные напротив
фильтров входные отверстия каналов МКП.
Описанная схема преобразователя может быть модифицирована, например, путем
выполнения входного ВОЭ в виде волоконной планшайбы, на поверхность которой на-
носятся RGB-фильтры из полиамидных смол. На входе и выходе ЭОП могут быть ус-
тановлены идентичные ВОЭ, а фотокатод и люминофор экрана имеют достаточно рав-
номерные спектральные характеристики во всем рабочем диапазоне спектра.
Еще одна схема получения цветного изображения с одновременным смешением
монохроматических составляющих представлена на рис. 8.12. Устройство содержит
Рис. 8.12. Структурная схема устройства, основанного на способе одновременного смешения
цветов
216 Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
объектив 1, окуляр 3, цветоделительный блок 4, состоящий из двух зеркал 6, 7 с дих-
роическим покрытием и зеркала 8 с нейтральным отражающим покрытием, блок 2 из
трех каналов, каждый из которых содержит соответственно ЭОПЬ ЭОП2 и ЭОП3 с
различными люминофорами (например, ЭОП] имеет люминофор со свечением в об-
ласти R, ЭОП2 — в области G и ЭОП3 - в области В) и выходной блок совмещения
изображений 5, состоящий из двух зеркал 9, 10 с полупрозрачным отражающим по-
крытием, и зеркала 11.
Каждый из каналов блока 2 является усилителем яркости изображения заданного
спектрального диапазона. В результате аддитивного смешения изображений красного,
синего и зеленого цветов, реализуемого с помощью выходного блока 5, наблюдатель
через окуляр 3 воспринимает цветное изображение объекта.
Вместо ЭОП с цветными люминофорами в каждом из каналов могут быть использо-
ваны ЭОП с люминофорами белого свечения, но тогда за экранами ЭОП должны раз-
мещаться фильтры R, G, В соответственно по одному в каждом канале.
Если для образования цветного изображения смешивать не три, а два монохромати-
ческих излучения, то можно создать цветной ПНВ, работающий по схеме, представ-
ленной на рис. 8.13, где 1 и 2 - фильтры, каждый из которых пропускает одно из сме-
шиваемых излучений, 3 - объективы левого и правого каналов, 4 - ОЭП 1R (с красным
люминофором), 5 - ЭОП 2g (с зеленым люминофором), 6 - призменный блок, 7 — оку-
ляры для правого и левого глаза наблюдателя.
В результате попадания различных световых потоков в левый и правый глаза по та-
кой схеме на уровне психофизического восприятия формируется цветное (квазицвет-
ное) изображение.
Цветной ПНВ, построенный по принципу последовательного во времени смешения
монохроматических составляющих (цветов) (рис. 8.14), содержит объектив 1, ЭОП 2,
окуляр 3 и модулятор в виде двух дисков с оптическими фильтрами, один из которых
(4) размещен перед фотокадотом ЭОП, а второй (5) - за его экраном. Диски 4 и 5 жест-
ко укреплены на оси 6 двигателя 7 и содержат секторы с фильтрами R, G, В, причем
Рис. 8.13. Принципиальная схема работы бинокля,
работающего по способу смешения двух цветов
(красного и зеленого)
Рис. 8.14. Структурная схема (а) и схема
расположения оптических фильтров (б)
8.2. Передающие телевизионные трубки
217
фильтры одного цвета на обоих дисках 4 и 5 расположены соосно, т.е. один за другим
вдоль оптической оси. Экран ЭОП покрыт люминофором белого свечения. В диске 4,
расположенном перед фотокатодом ЭОП 2, устанавливаются фильтры с максимумами
коэффициента пропускания в коротко-, средне- и длинноволновой областях спектра
выбранного диапазона.
Благодаря высокой скорости вращения дисков 4 и 5 (не менее 3000 об/мин) и инерци-
онности зрительного аппарата человека происходит аддитивное смешение последова-
тельно воспроизводимых монохроматических составляющих (цветов). В результате
изображение объекта, сформированное на экране ЭОП 2, воспринимается через окуляр
3 в цвете.
Достоинствами такого устройства являются простота реализации и отсутствие про-
блем, связанных с совмещением отдельных монохроматических (например, R, G, В)
изображений.
8.2. ПЕРЕДАЮЩИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ТРУБКИ
ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА
Телевизионным передающим трубкам и системам на их основе посвящено много
публикаций. Рассмотрение их особенностей не входит в круг затрагиваемых нами во-
просов. Однако, поскольку телевизионные системы часто решают задачи, аналогичные
тем, что стоят перед ИКС, и области их применения частично перекрываются, целесо-
образно кратко описать эти приборы, тем более, что в телевизионной технике в послед-
ние десятилетия четко наметилась тенденция использовать твердотельные многоэле-
ментные приемники в качестве важнейших звеньев этих систем.
Большинство передающих телевизионных электровакуумных трубок и систем на их
основе, в том числе и системы низкоуровневого телевидения (НУТ), используемые при
очень малых освещенностях наблюдаемой сцены, работают в видимом диапазоне спек-
тра. То же самое можно сказать и о системах, использующих твердотельные МПИ,
прежде всего ПЗС-матрицы (системы твердотельного телевидения). Для очувствления
телевизионных систем в ИК-области спектра создаются специальные передающие
трубки, фотокатоды которых работают в этой области (в большинстве своем — в ближ-
ней ИК-области), а также гибридно-модульные преобразователи изображения, о кото-
рых говорилось в §8.1.
Чувствительность телевизионных ИК-систем удается повысить, используя активно-
импульсный режим работы (см. рис. 1.3), реализуемый с помощью лазеров и лазерных
светодиодов. (Как отмечалось в предисловии, активно-импульсные или другие ОЭС с
подсветкой в ИК-диапазоне здесь не рассматриваются.)
До начала 80-х годов передающие телевизионные трубки (TV-трубки) преимущест-
венно выполнялись в виде электровакуумных приборов с фотоэмиссионными фотока-
тодами, работающими на основе внешнего фотоэффекта. Из отечественных TV-трубок
без накопления заряда, чувствительных к ИК-излучению (до длин волн порядка 1,1 мкм),
218
Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
можно отметить диссекторы типа ЛИ608 и ЛИ608-1, имеющие серебряно-кислородно-
цезивые фотокатоды. Темновой ток этих диссекторов составляет 5-10 7 А (максималь-
ный), разрешающая способность 125 лин/мм в центре поля.
Поскольку область спектральной чувствительности TV-трубок, в которых ис-
пользуются фотоэмиссионные катоды (трубок с внешним фотоэффектом), ограни-
чена X = 1,3... 1,4 мкм, а квантовый выход
Рис. 8.15. Схема видикона
фотокатодов мал, больший интерес для ИКС
представляют трубки с мишенями на осно-
ве внутреннего фотоэффекта. Наиболее
распространенными трубками этого типа
являются видиконы (рис. 8.15). Мишень 1
с фотопроводящим слоем заряжается уз-
ким, сканирующим по ее поверхности лу-
чом 2. За время кадра происходит зарядка
всей рабочей поверхности мишени. Сопро-
тивление отдельных ее участков, а следо-
вательно, и степень ее разрядки в процессе
сканирования зависят от их освещенности.
Ток во внешней цепи мишени создает ви-
деосигнал Ув, повторяющий рельеф осве-
щенности на мишени. Формирование электронного луча и управление его движением
осуществляются электронным прожектором 4 и фокусирующе-отклоняющей системы
(ФОС) 3, обычно «одеваемой» на электровакуумную трубку 5. Мишень видикона пред-
ставляет собой тонкий слой фотопроводника, нанесенного на проводящую подложку.
Удельное сопротивление фотопроводника подбирается так, чтобы создаваемый на ми-
шени потенциальный рельеф накапливался в течение всего времени кадра.
Видиконы с электростатической фокусировкой и отклонением луча не имеют внеш-
них ФОС, что заметно снижает массу, габариты и энергопотребление системы. Сущест-
вуют и видиконы, где фокусировка осуществляется электростатической системой, а раз-
вертка - магнитной. Большинство видиконов работают в видимой области спектра. Неко-
торые из современных передающих TV-трубок чувствительны и к ИК-излучению. Из них
наиболее известны приборы с матричными мишенями на основе халькогенидов свинца
(PbS, PbSe) или на основе силицидов металлов [32, 151]. Однако из-за малого удельного
сопротивления этих материалов темновой ток в этих трубках удается снизить только ох-
лаждением, что весьма усложняет и удорожает конструкцию систем на их основе.
Передающая ЭЛТ с кремниевой мишенью (кремникон ЛИ479) диаметром 26,2 мм и
длиной 132 мм разработана и выпускается ЦНИИ «Электрон». Больший диапазон спек-
тральной чувствительности (0,4...2,0 мкм) и те же габаритные размеры имеет ИК-
видикон ЛИ474, у которого темновой ток не превышает 100 нА.
В одной из зарубежных конструкций использовалась сканируемая медленными
электронами мишень из монокристалла германия, которая при диафрагменном числе
объектива К - 4 и непрерывном охлаждении до 78 К обеспечивала длинноволновую
границу чувствительности около 2,5 мкм. С помощью такого видикона можно было
8.2. Передающие телевизионные трубки 219
различать объекты с температурой поверхности 180°С, а при К = 1,5 - с температурой
150°С [13].
В ЦНИИ «Электрон» разработан видикон с неохлаждаемой мишенью на базе
PbO/PbS (или Pb-O-S) площадью 9,5x12,7 мм, чувствительной в диапазоне спектра
0,4...2,0 мкм [11]. Спектральная токовая чувствительность этого видикона выше, чем у
приборов с кремниевыми мишенями, и достигает 200 нА/мкВт на длине волны
А = 1 мкм. Трубка диаметром 26,2 мм и длиной 132 мм с магнитным отклонением и фо-
кусировкой электронного луча предназначена для работы в стандартном режиме раз-
ложения (625 строк, 25 кадров в секунду, чересстрочная развертка). Максимальное на-
пряжение сети не превышает 550 В, а мощность, потребляемая катодом, составляет
0,6 Вт. По чувствительности и спектральному диапазону прибор не уступает зарубеж-
ным аналогам, например TV-трубке №2606 фирмы «Hamamatsu» (Япония).
Совершенствование технологии планарных кремниевых структур позволило еще в
80-е годы создать видиконы с мишенями в виде фотодиодных кремниевых матриц с
диодами размером 7,5...8,0 мкм и периодом их расположения 20 мкм. К сожалению,
они работают только в ближнем ИК-диапазоне (до 1,0... 1,1 мкм), хотя в максимуме
спектральной характеристики (около 0,9 мкм) их чувствительность гораздо выше, чем у
видиконов с фотоэмиссионной мишенью.
Принципиальными недостатками видиконов и систем на их основе являются невоз-
можность выделять слабо нагретые объекты на фонах с высоким уровнем излучения в
средне- и особенно длинноволновом ИК-диапазонах спектра, т.е. на большинстве на-
земных фонов, где излучение насыщает мишень, а также трудность обеспечить высо-
кую однородность чувствительности по площади мишени. По этим причинам видико-
ны используются преимущественно при наблюдении сильно нагретых объектов или в
условиях очень слабо излучающих фонов, например космических.
В последнее десятилетие наблюдается бурное развитие телевизионных твердотель-
ных систем, основу которых составляют ПЗС-приемники излучения, чувствительные в
ультрафиолетовом, видимом и ближнем ИК-диапазонах (обычно до Агр = 1,1 мкм). Ши-
рокое распространение их в самых различных областях науки, гражданской и военной
техники, промышленности, медицине и биологии и др. обеспечили высокое разрешение
(размеры пикселов менее 10 мкм), большие форматы (756x581, 756x473, 658x496 и
др.), возможность непрерывного управления экспонированием (от 1/60 до 1/50000 с);
хорошая однородность чувствительности отдельных пикселов, большее, чем в ЭЛТ,
отношение сигнал-шум, что улучшает качество изображения при низких контрастах,
большой динамический диапазон сигналов, возможности изменять режим считывания
практически в реальном масштабе времени, малые габариты, массы и энергопотребле-
ние, высокая надежность и длительное время наработки на отказ, наконец, сравнитель-
но низкая стоимость и большая номенклатура выпускаемых промышленностью этих
изделий, а также ряд других свойств [11, 13,20 и др.].
В настоящее время в ближнем ИК-диапазоне используются преимущественно теле-
визионные системы на базе ГМП (ЭОП в сочетании с ПЗС-матрицей), способные рабо-
тать в большом диапазоне освещенностей на входе (от 5-105 до 10 7 лк) и имеющие раз-
220
Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
решающую способность от 300 до 600 телевизионных линий при отношении сигнал-
шум до 50 дБ.
Переход в область спектра 1,4... 1,7 мкм, где по сравнению с видимым диапазоном
гораздо больше прозрачность атмосферы, а также контрасты яркостей многих объек-
тов, наблюдаемых на естественных фонах, во многом связывается с разработкой МПИ
на базе InGaAs. Компании «PixelVision, Inc.» и «Scientific Imaging Technologies, Inc.»
(США) создали ПЗС-фотоприемник для приборов ночного видения, обладающий хо-
рошим разрешением и низким уровнем шума [68]. Низкоуровневые ИКС на основе это-
го твердотельного приемника продемонстрировали возможность успешно соперничать с
приборами ночного видения на базе ЭОП в условиях слабой естественной освещенности
(от 10“3 до 10 лк). Как показано в [68], для очень слабых освещенностей (ЮЛ.ЛО-3 лк)
некоторое преимущество при решении задач по распознаванию целей типа «танк» на
дальностях до 500 м сохраняют приборы с ЭОП.
В качестве примера систем, создаваемых на базе ПЗС-камер серии Pluto, можно
отметить низкоуровневую ИКС для оружейных прицелов, которая имеет следующие
основные параметры:
• формат ПЗС 652x488 с размерами пиксела 12x12 мкм,
• динамический диапазон выходных сигналов 14 бит,
• уровень шума 18.. .30 электронов на частоте 5 МГц,
• частота кадров 30 Гц.
Система имеет ручную и автоматическую установку усиления сигналов и их кон-
троля, схему двухточечной коррекции неоднородности чувствительности отдельных
пикселов, а также двухступенчатый термоэлектрический холодильник.
Конструкция ПЗС-фотоприемника предусматривает его «обратную» подсветку, т.е.
облучение со стороны подложки из InP, на которую в процессе изготовления МПИ на-
носится тонкий фоточувствительный слой InGaAs (порядка 1 мкм), на него - очень
тонкий контактный слой, а затем тонкий слой высокоомного кремния, на котором фор-
мируются ячейки хранения и передачи зарядов, генерируемых приходящим излучением.
Такая монолитная конструкция обеспечивает очень высокую квантовую эффективность -
более 95% вместо обычных 80% у гибридных фото-ПЗС на базе КРТ с фронтальным
облучением; меньшие размеры пиксела (12 мкм вместо 50 мкм), поскольку чувстви-
тельный слой не экранируется контактным столбиком; меньший уровень шума (поряд-
ка пяти электронов вместо 50 у гибридных KPT-ПЗС). Абсолютная спектральная чувст-
вительность фото-ПЗС с обратной подсветкой примерно в два раза больше, чем у фо-
то-ПЗС с фронтальной подсветкой и у ЭОП III с фотокатодом из GaAs. Диапазон
спектральной характеристики фото-ПЗС на InGaAs составляет 0,4... 1,7 мкм. При ис-
пользовании специальных просветляющих покрытий можно обеспечить квантовую
эффективность 50% для коротковолновой границы спектральной характеристики 0,2
мкм, что важно для ряда практических применений в спектроскопии, в системах проти-
воракетной обороны и др.
Успехи в создании новых схем считывания на ПЗС-структурах позволяют надеяться
на появление схем считывания с уровнем шума менее 12 электронов и частотой до
35 мГц [68].
8.3. Пировидиконы
221
Другим направлением совершенствования телевизионных ИК-систем является по-
вышение чувствительности ИК ПЗС-матриц до такого уровня, при котором можно бу-
дет отказаться от использования ГМП. Один из путей такого повышения — использова-
ние метода накопления (сложения) сигнала в нескольких кадрах и автоматический
«обмен» разрешающей способности телевизионной системы на чувствительность при
низких уровнях освещенности (облученности).
8.3. ПИРОВИДИКОНЫ (ПИРИКОНЫ)
Передающую телевизионную трубку с пироэлектрической мишенью в качестве чув-
ствительного слоя называют пировидиконом или пириконом. Принцип действия и конст-
рукция пировидикона аналогичны принципу действия и конструкции видикона. Здесь
фоточувствительный катод заменен пироэлектрической мишенью в виде тонкой пласти-
ны пироэлектрического кристалла, не требующей охлаждения. Входное окно, к которому
прикрепляется мишень, обычно выполняется из германия. На сторону мишени, приле-
гающую к входному окну, наносится тонкослойный электрод, прозрачный для ИК-
излучения. На другую сторону ее наносится пленка, защищающая пироэлектрический
кристалл от разрушения ионами, генерируемыми электронным пучком, считывающим
зарядный рельеф мишени. В качестве материала мишени целесообразно выбирать пиро-
электрики с наименьшей диэлектрической проницаемостью и малой тепловой диффузи-
ей, например триглицинсульфат (ТГС) и дейтерированный триглицинфторбериллат
(ДТГФБ). Пироэлектрические материалы чувствительны лишь к изменению температу-
ры. Поэтому ИК-излучение, которое строит изображение на пироэлектрической мишени,
должно быть переменным, для чего в систему с пировидиконом устанавливается специ-
альный модулятор (обтюратор) либо в отдельных случаях такая система работает в пано-
рамирующем режиме, при котором она медленно перемещается относительно просмат-
риваемого пространства. Для сохранения чувствительности пировидикона постоянной
при изменениях окружающей температуры в конструкцию прибора в непосредственной
близости от диафрагмы, ограничивающей сечение считывающего пучка электронов, вво-
дится нагревательный элемент, который обеспечивает постоянство температуры мишени.
Для снижения тепловой диффузии пироэлектрическую мишень разбивают на от-
дельные малоразмерные элементы, помещая их на подложку с низкой теплопроводно-
стью (сетчатая мишень). Пировидикон отличается от обычного видикона тем, что вы-
сокочувствительные ферроэлектрики (сегнетоэлектрики), используемые в качестве пи-
роэлектрических мишеней и являющиеся хорошими изоляторами, не пропускают по-
стоянный ток. Постоянная составляющая электронного луча, считывающего мишень,
заряжает ее. Если луч не заземлять, мишень, которая представляет собой емкость, мо-
жет полностью зарядиться, и работа пировидикона прекратится. Во избежании этого
постоянный ток не должен протекать по цепи видеосигнала, а положительный заряд,
равный отрицательному, перенесенному считывающим электронным лучом, должен
периодически возобновляться. Для этого используют различные методы создания по-
222 Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
ложительного (базового) заряда, или пьедестала. Наибольшими преимуществами обла-
дает метод, основанный на вторичной электронной эмиссии свободной поверхности
пироэлектрической мишени, сканируемой пучком медленных электронов, при котором
положительный заряд образуется во время обратного хода электронного луча, т.е. вне
времени считывания ИК-изображения [35].
В пировидиконах превалируют шумы Джонсона на мишени, базового тока и преду-
силителя видеосигнала. Последние заметно превышают внутренний шум пироэлектри-
ческого материала, обусловленный в основном шумом Джонсона, возникающим из-за
диэлектрических потерь.
В ИКС с пировидиконами в соответствии с отмеченными особенностями использу-
ются устройства синхронизации прерывания входного сигнала и сканирования мишени
и схемы вычитания базового тока из полного видеосигнала. Сигнал, появляющийся при
каждом открывании обтюратора, инвертируется, а затем считывается непосредственно
с экрана системы отображения или же видеосигнал сначала подается в сумматор изо-
бражений (отдельных кадров), а потом воспроизводится в системе отображения.
Специальный процессор в составе электронного модуля пирикона, работающий в
реальном масштабе времени, позволяет путем попарного сравнения разнополярных
сигналов в полукадрах (положительных при нагреваемой открытой мишени и отрица-
тельных при остывающей закрытой) повысить геометрическое разрешение мишени с
120... 130 до 160... 180 телевизионных линий (ТВЛ) и улучшить ATp системы, которая в
режиме модуляции (обтюрации) может при этом составить 350 мК (при 50 ТВЛ на ми-
шень), а в режиме панорамирования - 150 мК (по крупным деталям изображения).
Из-за переменной полярности сигнала, снимаемого с выхода пироэлектрического
приемника при открывании и закрывании модулятором его чувствительной площадки,
может возникнуть мерцание изображения. Это мерцание устраняют, используя в элек-
тронном тракте пирикона схемы (накопители), в которых видеосигнал суммируется по
нескольким кадрам, а затем передается на систему отображения. При этом отношение
сигнал-шум улучшается на 25...30%. После выключения питания или перегрева пиро-
электрической мишени чувствительная мишень поляризуется с помощью схемы, обес-
печивающей требуемую последовательность подачи питающих напряжений.
Области применения пириконов весьма разнообразны: в системах охранной и по-
жарной сигнализации, при дистанционных измерениях температуры, космических ис-
следованиях, в лазерной измерительной аппаратуре, военной технике, в медицине и
др. Эти сравнительно недорогие приемники, работающие в широком диапазоне час-
тот и температур, имеют низкое энергопотребление и удельную обнаружительную
способность около 109 Вт-1-смТц1/2. Низкая теплопроводность пироэлектрических
кристаллов позволяет создавать многоэлементные структуры с низкими перекрест-
ными тепловыми помехами между отдельными элементами чувствительного слоя.
Пироэлектрические приемники самой различной формы и размеров технологичны и
сравнительно недороги.
Несмотря на то, что удельная обнаружительная способность D пироэлектрических
одноплощадочных приемников почти на два порядка хуже, чем одноплощадочных ох-
8.3. Пировидиконы
223
лаждаемых фотонных (квантовых) приемников из InSb и HgCdTe, режим накопления и
осреднения, в котором работают их отдельные элементы (при частоте кадров 25 Гц
время полукадра примерно 20 мс, а число элементов пироэлектрической мишени пири-
кона эквивалентно нескольким десяткам тысяч единичных приемников), позволяет по-
лучить большое отношение сигнал-шум, пропорциональное корню квадратному из
числа накапливаемых сигналов, и тем самым достичь ДГР близких к ДТр охлаждаемых
квантовых приемников, работающих в диапазоне 8... 14 мкм. Рабочий спектральный
диапазон ИКС на базе пироэлектрических МПИ практически неселективен и ограничи-
вается пропусканием материалов оптической системы и прозрачностью среды распро-
странения сигнала (атмосферы).
В то же время в силу ряда причин (большие габариты, сложность технологии изго-
товления и конструкции, недостаточно высокие чувствительность и геометрооптиче-
ское разрешение и др.) системы с пировидиконами до сих пор используются недоста-
точно широко. Тем не менее приведем несколько примеров ИКС на базе пировидико-
нов. Отечественная промышленность серийно выпускает пировидиконы со сплошной
мишенью диаметром около 16 мм, изготовленной из триглицинсульфата и имеющей
чувствительность порядка 5... 13 мкА/Вт. Они обеспечивают ДГП = 0,1...0,5 К (напри-
мер, тепловизор ТЭМП-1, созданный НПП «Гамма» совместно с НИИ «Платан» и СКВ
филиала Института радиоэлектроники РАН).
Пировидиконы ЛИ492 и ЛИ492С с сетчатой мишенью, работающие в спектральном
диапазоне 8... 14 мкм и имеющие трубку диаметром около 27 мм и длиной 164 (у
ЛИ492) и 132 мм (у ЛИ492С), обеспечивают разрешение до 300 телевизионных линий.
В последние годы изучается возможность создания пировидиконов со структуриро-
ванной мишенью, обеспечивающей лучшее геометрическое и температурное разреше-
ние. При вводе в электронно-оптический тракт пировидикона управляющего электрода
удалось поднять токово-энергетическую чувствительность до 100 мкА/Вт.
В ЦНИИ «Электрон» в настоящее время разработаны пировидиконы (например,
ЛИ513), имеющие формат 300*300 элементов с чувствительностью 50...70 мкА/Вт и
даже 400*400 с чувствительностью 5...8 мкА/Вт. Применение этих пировидиконов по-
зволяет при сохранении достаточно хорошей для ряда применений ДГР в несколько раз
сократить светосилу объектива, т.е. увеличить диафрагменное число К, что существен-
но снижает габариты, массу и стоимость оптической системы.
Прибор ТР-4604П, созданный МРПО «Спектр» (Москва), служит для контроля
утечки тепла из зданий и сооружений, определения мест перегрева и других приме-
нений. Его геометрооптическое разрешение составляет 150 ТВ Л, температурное —
0,4°С в рабочем диапазоне температур от -30 до +300°С. Габариты (без объектива) -
285*150*130 мм; масса — не более 2,9 кг; питание от сети ~ 220 В, 50/60 Гц или авто-
номное: 12 В постоянного тока 1,3 А; время непрерывной работы -2 ч.
МРПО «Спектр» предложило модификацию этого прибора - ТН4604МП на пиро-
электрической матрице формата 320*240 с температурным разрешением 150 мК, а так-
же малогабаритную камеру на микроболометрической матрице формата 160*120 с
ДГП = 100 мК, габаритами 130*210*140 мм и массой 1,5 кг.
224 Глава 8. Электронно-оптические и телевизионные преобразователи
То же объединение выпускает также многофункциональную тепловизионную аппа-
ратуру ТН-3 на пировидиконе со следующими параметрами:
• минимальная разрешаемая разность температур ДТР = 0,15°С в режиме панорами-
рования (по крупным объектам) и 0,5 °C в режиме модуляции (обтюрации) с кадровой
частотой 25 Гц;
• габаритные размеры 132x550x170 мм;
• масса 6 кг.
Хорошо известен и распространен на практике пирикон TH 9851 фирмы «Томсон
ЦСФ» (Франция), имеющий следующие основные параметры:
• спектральный рабочий диапазон 8... 14 мкм;
• чувствительность 4,5 мкА/Вт;
• габариты пирикона 165x29x26,7 м;
• масса 60 г;
• рабочие напряжения (токи) на мишени 125 В, на электродах 250, 200 и 180 В;
• напряжение накала 6,3 В;
• формат кадра 18x24 мм;
• минимальный полезный диаметр мишени 17 мм;
• разрешающая способность 250 ТВЛ;
• рабочая температура (оптимальная) 30...35°С.
Среди других известных зарубежных разработок можно отметить пироэлектрическую
камеру «PYRO-2000» Uncooled Thermal Imager фирмы «GEC-Marconi» (Великобритания)
с форматом матрицы 100х 100, ДТП = 0,3 К, габаритными размерами 80x140x180 мм, мас-
сой 1,8 кг, потребляемой мощностью 5 Вт.
Одной из лучших разработок является пировидиконный тепловизор Р4438 ARGUS
фирмы «English Electric Valve», имеющий следующие основные параметры:
• габаритные размеры 330х310х160 мм;
• масса с объективом f'= 18 мм 2,7 кг;
• потребляемая мощность 4,5 Вт;
• время непрерывной работы (при питании от аккумулятора) 1 час.
Фирма «Insight Vision Systems» (Великобритания) предложила пировидиконную ка-
меру с Д7'р = 0,2°С и разрешающей способностью 150 ТВЛ по всей мишени.
Фирма «AGUSTA» (Италия) изготавливает тепловизионный прибор CIRTEVS на
пировидиконе с геометрооптическим разрешением до 150 ТВЛ и температурным раз-
решением до 0,3°С. Угловое поле прибора равно составляет 18°, масса - 5 кг, энергопо-
требление - 18 Вт при напряжении питания 12 ± 1,5 В.
Глава 9
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ
СИГНАЛОВ В ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМАХ
«СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
9.1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
В ИКС «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
Структурная схема обработки сигналов в ИКС «смотрящего» типа на рис. 9.1 более
подробна, чем та, что в самом общем виде рассматривалась в гл. 1. Входной аналоговый
оптический сигнал, условно представленный на рис. 9.1 в виде двумерного распределения
яркости Цх,у), преобразуется оптической системой (объективом) с функцией рассеяния
точки ^оптСмО в двумерное распределение освещенности Е(х,у) на чувствительном слое
МПИ. После дискретизации изображения путем выборки отдельных его элементов и ос-
реднения амплитуд сигналов по площади каждого элемента чувствительного слоя МПИ,
производящего пространственную выборку, эти сигналы поступают на аналого-цифровой
преобразователь (АЦП), квантующий их по уровню. Затем образованное таким образом
цифровое изображение фильтруется. На заключительном этапе преобразований выходной
сигнал реконструируется, т.е. возвращается к аналоговой форме, и отображается на дис-
плее или каком-либо другом устройстве. Знак «*» на рисунке обозначает свертку функции,
знак «х» - умножение, а знак «+» - сложение. Функции g(-) с разными индексами обозна-
чают импульсные реакции отдельных звеньев системы на воздействия в виде дельта-
функций, преобразования которых по Фурье представляют собой частотные характеристи-
ки этих звеньев. На рис. 9.1 показаны не все возможные звенья системы, а лишь принципи-
альные с точки зрения рассматриваемых вопросов. Шумы ФПУ, включая шумы схемы
считывания сигналов с элементов МПИ, приведены к выходу ФПУ. Блок реконструкции,
т.е. преобразования цифрового дискретного электронного изображения в аналоговую фор-
му, и система отображения показаны раздельно, хотя часто последняя выполняет не только
преобразование электронного изображения в видимое оптическое, но и реконструкцию
изображения.
После краткого рассмотрения схемы на рис. 9.1 можно отметить, что преобразова-
ние сигналов, приходящих на вход ИКС «смотрящего» типа, характеризуется следую-
щими тремя основными процессами:
8 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
226
Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в ИКС
Г
МПИ и схема считывания
Оптическая
система
(объектив)
Цх,у)
gomUj)
£(x,y)=5BX(x,y)=
=£(xj')*gonr(*J')
АЦП,
квантующий
сигнал
Элемент
чувствительного
слоя ФПУ
sUx.ybgafcy)
£э(*,У)
ГШфпу
\s^x,y)»g3{x,y)Yr[x,y)
^х.у)
^ь«(х,у)=[5вх(х,у).дэ(х,у)]хф^)хд^выб(х>>,)]
Фотоприемное
устройство (ФПУ)
@4
Цифровой
фильтр
%(х,у)
g^X.y)
Блок (фильтр) Система отображения
реконструкции (дисплей)
зР(х,у)
sK(x,y)
gp(x,y)
gcoM
Рис. 9.1. Структурная схема модели ИКС «смотрящего» типа с цифровой обработкой изображения
- размытием изображения (аналогового сигнала) до его выборки, которое обуслов-
лено дифракцией и аберрациями в оптической системе, возможными вибрациями изо-
бражения, конечностью размеров и формой чувствительного элемента приемника излу-
чения, осуществляющего выборку и осреднение сигнала;
- выборкой изображения, т.е. представлением его конечным числом функций (сово-
купностью дискретных амплитуд сигнала в отдельных точках размытого до выборки
изображения) и получением изображения в цифровой форме, при этом в спектре сигна-
ла могут появиться побочные гармоники (спектры), приводящие к «ложным» изобра-
жениям (подробнее см. далее);
- реконструкцией цифрового сигнала в аналоговую форму с помощью электронного
фильтра, системы отображения (дисплея) и зрительного аппарата человека-наблю-
дателя.
Перед тем, как рассматривать электронный тракт (аппаратно-программный блок
ИКС) и систему отображения, целесообразно проанализировать некоторые специфи-
ческие для ИКС «смотрящего» типа методы обработки изображений и сигналов: про-
странственную выборку двумерных сигналов и микросканирование изображения, а
9.2. Выборка сигнала и ее влияние на параметры ИКС
227
также вкратце остановиться на фильтрации и реконструкции цифрового сигнала, т.е.
на «возвращении» ему аналоговой формы.
9.2. ВЫБОРКА СИГНАЛА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПАРАМЕТРЫ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
Практически в любой ИКС происходит выборка отдельных значений непрерывного
аналогового сигнала, т.е. преобразование его в дискретную форму. В ИКС «смотряще-
го» типа пространственную выборку изображения выполняет многоэлементный прием-
ник излучения. Необходимое число выборок изображения очень часто определяется из
условий выполнения требований к разрешению обнаруживаемых или наблюдаемых
объектов, например, в соответствии с критериями Джонсона (см. §4.3).
Выборку изображений можно проводить с различной периодичностью по каждой из
ортогональных осей системы координат (х, у), в которой рассматриваются изображе-
ния. На практике эта так называемая асимметричная выборка чаще встречается в ИКС
со сканированием, хотя используется и в ИКС «смотрящего» типа. Такое название вы-
борки связано с несимметричными аберрациями оптических систем (астигматизмом,
дисторсией), перспективными искажениями изображений для разных углов визирова-
ния, неизотропными формами чувствительных элементов МПИ и закономерностями
расположения этих элементов по общей площади МПИ и др.
Рассмотрим простейший случай, когда исходный сигнал s имеет вид последователь-
ности синусоидальных импульсов с периодом X и частотой fs (рис. 9.2) и подвергается
выборке с периодом Хыб и частотой Увы&^- Легко видеть, что показанная на рис. 9.2
штриховой линией огибающая выбранных значений исходного сигнала, которая и яв-
ляется реконструируемым сигналом, имеет меньшую частоту, чем fs.
В реальных системах выборка двумерных сигналов - изображений пространства
предметов - осуществляется не в отдельных точках плоскости изображений, а в преде-
лах чувствительных площадок элементов МПИ.
В ИКС выборку сигнала могут выполнять растры, многоэлементные приемники,
сканирующие системы, АЦП и др. При их использовании происходит усреднение
сигнала, например потока излучения, проходящего через прозрачную ячейку растра
или падающего на элемент МПИ, т.е. на выходе ячейки растра или элемента МПИ
образуется сигнал, пропорцио-
нальный среднему по их площа-
ди значению входного сигнала.
Обычно принимают, что пропус-
кание ячейки растра или чувст-
вительность элемента МПИ ха-
рактеризуются средним по их
площади значением этого
параметра.
О Хыб X 2Хыб 2ХЗХыб ЗХ х
4Хыб
Рис. 9.2. Образование низкочастотной составляющей после
выборки сигнала
8*
228 Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в ИКС
Сигнал на выходе МПИ, осуществляющего пространственную выборку (рис. 9.1),
можно представить в следующем общем виде:
5»Ых У) = кх (*’ У) * S3 (х, У)] г(х, у)а™6 (х,у),
где 5вх(х,у) - функция, описывающая распределение облученности в плоскости чувст-
вительного слоя МПИ; g3(x,y) - распределение чувствительности по площади элемента
МПИ, обычно принимаемое постоянным; г(х,у) - функция, учитывающая размеры
площади чувствительного слоя МПИ и закон распределения элементов по этой площа-
ди; <&(х,у) ~ функция, описывающая двумерную пространственную выборку изобра-
жения элементами МПИ, периоды расположения которых равны Хэ и Уэ по осям х и у
соответственно, т.е.
J £б(х-пьГ , у -nY3).
''‘э э m=-^w=-oo \ э *э J
Спектр функции sBblx(x, у ) имеет вид
К (Л. Л W..4)]* «(/,./,)♦ 4SU.4).
где функции S'BbIX(-), G(-)» ^(’) и 4^6 () “ спектры (преобразования Фурье) функций
лВЬ1Х( ), ^э(-), К ) и (•) соответственно.
Связанное с конечностью значений чисел пикселов т (по оси х) и п (по оси у) при-
ближение вполне допустимо в практике расчетов при МПИ больших форматов, т.е. при
достаточно больших т и п.
Спектр функции а,^(х,у) имеет вид
у) = -У- £ £8(Л -Чх. л -»йг)==ZxA £ - "йг. Л -»/,).
э^э т=-оол=-оо т=-оол=-оо
Z, =!/*„/;, =0;.
Для прямоугольной формы чувствительных элементов с размерами а и b по осям х и
у соответственно спектр функции g3(x, у) описывается выражением
G3(fx,fy) = sine (afx, bfy),
а спектр функции r(x, у)
= mX^Y3sinc(rnX3fx, nY3fy\
где sinc(z)=sin(7rz)/7iz.
Объединяя приведенные выражения, можно получить формулу для спектра сигнала,
образующегося после выборки, т.е. на выходе МПИ:
9.2. Выборка сигнала и ее влияние на параметры ИКС
229
•z,z,£E«z -"Z,,/, -о-
m n
Таким образом, очевидно, что спектр сигнала после выборки представляет собой
спектр исходного сигнала (изображения), повторяющийся через интервалы /1Д—1/Х, и
f[Y= l/Fg, причем для отдельных полос этого спектра распределения амплитуд гармо-
ник соответствуют (при т, п » 1) распределениям амплитуд функции G3(fx, fy), т.е.
sinc(afx, bfy).
Если частота выборки достаточно велика, а полоса частот, занимаемая исходным
аналоговым сигналом (полоса пространственных частот, занимаемая спектром двумер-
ного изображения в плоскости МПИ), ограничена, то после выборки и реконструкции
можно получить выходной аналоговый сигнал, подобный исходному.
Максимальной частотой (гармоникой) сигнала, передаваемого и реконструируемого
без искажений, является частота Найквиста^, равная половине частоты выборки/выб,
т.е. fa = /Выб /2. Если какая-либо гармоника спектра исходного сигнала превышает fa,
имеет место наложение спектров, т.е. в спектре дискретизированного сигнала появля-
ются ложные низкочастотные составляющие, в результате искажается реконструируе-
мый сигнал, т.е. изображение на выходе ИКС [50, 61, 142.]. При этом на экране систе-
мы отображения может возникнуть растровая структура, во избежание чего при реше-
нии задач распознавания или идентификации используют так называемое сжатие пере-
даточной функции системы или частот [113].
Из анализа формулы для ^выхвх- /у) следует важный вывод: искажения сигнала при
усредняющей выборке тем больше, чем больше размеры а и Ь, т.е. чем быстрее убыва-
Рис. 9.3. Преобразования спектра сигнала Sm(f) (а) при выборке с частотой/,^ > 2fs гр (б),
/выб = 2/n = 2fs гр (в), /выб 2fs гр (г)
3/выб f
230
Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в ИКС
ют sinc-функции. С уменьшением а и b приближается к спектру идеальной
выборки. Если размеры а и Ъ приближаются к периодам Хэ и Уэ, боковые полосы на
частотах= Ma,fy = Mb и подавляются сильнее, что облегчает фильтрацию сигнала ре-
конструирующим фильтром и улучшает восстанавливаемое изображение.
Изменения спектра сигнала при выборке показаны на рис. 9.3, где граничная частота
спектра исходного сигнала 5ВЫХ(/) обозначена/^. При несоблюдении условия^ыб > f ^2
епектр выходного сигнала не повторяет спектра исходного сигнала, т.е. имеют место
искажения восстанавливаемого после выборки изображения. Чтобы избежать этих ис-
кажений или уменьшить их влияние, необходимо в качестве реконструирующего при-
менять низкочастотный фильтр, отсекающий побочные (паразитные) гармоники сигна-
ла. Важно отметить, что при/^ =/^ыб /2< fsrp полностью устранить искажения восста-
новленного изображения не удается (см. на рис. 9.3,г перекрытие исходного спектра и
первой побочной полосы с центральной частотой/^ыб).
Возникающее в результате наложения спектров искажение изображения называют
редукцией пространственных частот, а также шумом пространственной дискретизации.
Этот шум носит мультипликативный характер, поскольку зависит не только от пара-
метров МПИ, но и от структуры исходного изображения. Способы уменьшения вредно-
го влияния пространственной дискретизации могут быть различными. Самый простой
из них — это ограничение пространственно-частотного спектра изображения до его про-
странственной выборки пространственным фильтром, которым служит апертурная
диафрагма объектива или приемника с определенным законом распределения пропус-
кания или чувствительности. Кроме того, изображение, подвергнутое выборке в от-
дельных равноотстоящих точках, можно занести в буферную память, а затем, умножив
каждый отсчет на значение некоторой весовой функции, удвоить шаг между ними. Из-
вестны также способ разложения функции, описывающей изображение в ряд ортого-
нальных функций Уолша и др. [113].
Поскольку искажение спектра изображения из-за наложения побочных спектров не-
возможно устранить в последующих звеньях электронного тракта, включая дисплей (сис-
тему отображения), остается только воспользоваться увеличением частоты выборки.
Рассмотрим механизм описания пространственной выборки, осуществляемой МПИ
вдоль одной из ортогональных осей координат, без учета пространственного фазового
сдвига или взаимного смещения изображения и МПИ, осуществляющего выборку, от-
носительно исходного сигнала (изображения), который в общем случае может быть
случайным. Первый минимум пространственно-частотной характеристики элемента
МПИ приходится на частоту среза = 1/аэ, где аэ - угол, стягиваемый элементом,
имеющим линейный размер а. Обычно, для /'» а принимается аэ = a/f, где f -фокус-
ное расстояние объектива, строящего изображение в плоскости МПИ.
Период пространственной выборки вдоль какого-либо размера поля обзора 2со0бз ра-
вен (2сообз - аэ)/ЛвЫб, где - число выборок. Соответственно, при 2а>Обз» аэ
/»ыб ~ ^4>ыб/2®обз •
9.2. Выборка сигнала и ее влияние на параметры ИКС
231
Если период расположения элементов МПИ равен Хэ, то частота Найквиста, ограни-
чивающая пространственно-частотный спектр изображения, передаваемого без иска-
жений, определяется как
А=0,5(Хэ//У.
На рис. 9.4 показано изменение значений частоты Найквиста fa при изменении частоты
выборки^ыб, определяемой периодом расположениях элементов МПИ или растра, осуще-
ствляющего выборку. При одном и том же размере элемента d3 увеличение Х3 в два раза
сопровождается соответственным уменьшением fa, что ведет к ограничению диапазона пе-
редаваемых без искажений частот в спектре исходного изображения также в два раза.
Рис. 9.4. Изменение частоты Найквиста fa пространственно-частотной характеристики МПИ
при dJX3= 1 (a), djx3 = 0,5 (б)
Частоту Найквиста, определяющую предельно разрешаемый без наложения спек-
тров диапазон пространственных частот, можно увеличить, уменьшив период располо-
жения чувствительных элементов МПИ, но не их размер. Иначе при этом из-за воз-
можного наложения спектров ухудшится качество изображения, а следовательно, и ве-
роятность его распознавания, классификации и т.д.
Нужно отметить, что ИКС «смотрящего» типа может обнаруживать сигналы от объ-
ектов, пространственные частоты которых превышают jSa, например сигналы от излу-
чающих объектов с угловыми размерами, гораздо меньшими аэ, однако она не способ-
на воспроизвести эти сигналы без искажений из-за последствий выборки - возникнове-
ния побочных гармоник и наложения (переналожения) частот в низкочастотной облас-
ти спектра. Так, при калибровке ИКС с достаточно высокой частотой выборки по тест-
объекту в виде миры, у которой пространственная частота превышает частоту Найкви-
ста, изображение миры будет искажено и содержать меньшее число штрихов, чем тест-
объект. При малой пространственной частоте выборки штрихи миры из-за сдвига спек-
тра в область низких частот могут слиться в слабоконтрастную, достаточно однород-
ную светящуюся структуру. Поэтому в системах «смотрящего» типа часто за гранич-
ную частоту принимают частоту Найквиста.
232
Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в ИКС
Помимо пространственной выборки входного сигнала многоэлементным прием-
ником, аналого-цифровым преобразователем осуществляется и выборка аналогового
сигнала во временной форме. Принципиально аналоговый сигнал можно преобразо-
вать в цифровой на любой частоте, однако здесь также следует помнить о необходи-
мости соблюдать условие Найквиста, в соответствии с которым сигнал, передаваемый
без искажений, не должен иметь в своем спектре частот, больших fa = 0,5 /пыб.
Для ослабления описанного эффекта наложения пространственных частот, приво-
дящего к уменьшению частоты Найквиста, можно использовать микросканирование
(подробнее см. §9.3) либо предварительную пространственную фильтрацию в оптиче-
ской системе, в которой изображение строится с использованием объектива с ОПФ,
близкой по форме к прямоугольной, при верхней граничной частоте, равной частоте
Найквиста. На практике идеальную прямоугольную характеристику получить невоз-
можно из-за заметного спада ОПФ на высоких частотах, обусловленного потерей
геометрооптического разрешения. Обычно размытием изображения реализуют при-
ближение ОПФ к идеальному случаю. И если при этом потери энергии сигнала за-
метно меньше, чем при микросканировании, то разрешение гораздо хуже, так как те-
ряются высокие пространственные частоты, характеризующие малоразмерные детали
изображения и границы наблюдаемых объектов.
Предварительная пространственная фильтрация в оптической системе позволяет
избежать эффекта наложения частот для объектов со сложной структурой, т.е. имею-
щих высокочастотные составляющие в пространственно-частотном спектре их изо-
бражений. Однако при этом приходится мириться с заметными потерями энергии
сигнала.
Системы с выборкой не инвариантны к сдвигу изображения относительно рисунка
растра МПИ. Если изображение с периодической структурой в виде узких ярких по-
лос попадает в промежутки между элементами чувствительной площадки МПИ, то
сигнал, образующийся при выборке, будет минимальным. Напротив, если положения
полос изображения и элементов МПИ точно совпадают, сигнал будет максимальным.
В промежуточных вариантах, т.е. при изменении пространственной фазы (угла 0А)
между изображением и растром МПИ, амплитуда выходного сигнала будет иметь
промежуточные значения. В качестве примера на рис. 9.5 показано изменение формы
сигнала при его дискретизации, квантовании по уровню и осреднении внутри интер-
вала выборки в случае, если пространственная фаза выборки изменяется. Очевидно,
что передаточная функция процесса выборки будет зависеть от взаимного располо-
жения изображения и МПИ. В общем случае (рис. 9.6) она имеет вид
<i6(/)=cos(/A//n)-
Иногда некоторое среднее значение Лвыб(4) выбирают соответствующим 0Л = л/4.
При этом с учетом того, что^ = 0,5
Aw6(/J=cos(*A/2/BJ-
9.2. Выборка сигнала и ее влияние на параметры ИКС
233
Рис. 9.5. Изменение вида сигнала при его
пространственной выборке по оси х:
а - вид исходного аналогового сигнала;
б - ступенчатые (квантованные) сигналы после
пространственных выборок с различной фазой
Рис. 9.6. Усредненная передаточная функция
процесса выборки, учитывающая взаимный сдвиг
изображения и растра МПИ
В других случаях принимают (рис. 9.6)
Аыб (Z)=sinc(/; / fCrp)-
В случае двумерного МПИ при оценке изменения спектра исходного сигнала из-за
пространственной выборки необходимо учитывать ряд факторов: дискретность прием-
ника по координате у; возможную неидентичность оптических передаточных функций
по горизонтали и вертикали из-за астигматизма объектива или в редком на практике
случае из-за использования анаморфотной оптической системы; возможное различие
размеров чувствительных элементов и пикселов МПИ по горизонтали (по оси х) и по
вертикали (по оси у); изменение пространственной фазы сигнала, снимаемого с МПИ,
из-за смещения изображения по вертикали относительно растра МПИ; возможное раз-
личие в характере случайного (например, из-за вибрации) или задаваемого (при микро-
сканировании) движения изображения МПИ по х и у. Эти различия сказываются преж-
де всего на виде передаточных функций соответствующих звеньев ИКС и тем самым
приводят к различным оценкам ряда критериев качества ИКС, например пространст-
венного и температурно-частотного разрешения по горизонтали и по вертикали.
Механизм работы и формулы для расчета параметров и характеристик упомянутых
звеньев ИКС идентичны для каждой из ортогональных координат. Тем не менее с уче-
том результатов ранее проведенного анализа одномерной выборки по оси х рассмотрим
некоторые особенности процесса пространственной выборки, осуществляемой двумер-
ным МПИ по координате у.
Частота выборки по у зависит от шага расположения чувствительных элементов, т.е.
от периода выборки Уэ, и размера чувствительного элемента по вертикали Ь. Если К, и b
взяты в угловой мере, т.е., например, приведены к фокусному расстоянию объектива
то пространственная частота выборки (рад *) определяется как
fy^f'^y1^
234
Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в ИКС
где ту,, - коэффициент перекрытия строк (заполнения) элементов МПИ по вертикали:
г]) < 1 при b < Уэ; Tjv = 1 при b = Уэ; r)v > 1 при b > Уэ (отдельные столбцы элементов
МПИ поочередно сдвинуты друг относительно друга вверх и вниз по оси у).
При различных %, т.е, различных соотношениях между b и Уэ, передаточная функ-
ция выборки (составляющая частотной характеристики устройства, осуществляющего
выборку) меняет свой вид (рис. 9.7). При b < Уэ и т]> > 1 возможен случай, когда частота
Найквиста fa будет больше граничной частоты fy гр, определяемой угловым размером
b/f чувствительного элемента:
При Уэ< Ъ и т]у > 1 избежать искажений спектра изображения при выборке из-за воз-
никновения побочных низкочастотных составляющих возможно лишь при условии, что
Y3<b/2.
Таким образом, чтобы уменьшить искажения сигнала (изображения) из-за редукции
частот при выборке, необходимо:
- ограничивать полосу частот сигнала,
- подбирать надлежащую частоту выборки,
— применять соответствующие конкретным параметрам сигнала и выборки реконст-
руирующие фильтры.
Наибольшие принципиальные трудности вызывает первое из этих положений, по-
скольку спектр большинства реальных сигналов, поступающих на вход ИКС, содержит
Рис. 9.7. Передаточные функции выборки
при различных соотношениях между размером
элемента b и периодом выборки Уэ: b > Y3 (а),
b= Y3(6)',b<Y3(e).
9.3. Микросканирование
235
высокочастотные составляющие, соответствующие мелким деталям и краям отдельных
фрагментов наблюдаемых объектов, а именно эти частоты (или малоразмерные структу-
ры) чаще всего используются для выделения полезных сигналов на фоне помех и шумов
при обнаружении, распознавании, классификации и определении координат объектов.
Эффективность геометрооптических методов распознавания и обработки изображе-
ний определяет не только число разрешаемых элементов изображения объекта, т.е.
число пространственных выборок. Важным фактором, подлежащим обязательному
учету, является фазовый пространственный сдвиг - смещение изображения или его от-
дельных разрешаемых фрагментов относительно растра МПИ, что особенно важно то-
гда, когда изображения отдельных фрагментов наблюдаемого объекта имеют различ-
ный фазовый сдвиг относительно МПИ или когда в процессе работы ИКС имеет место
движение изображения относительно МПИ.
В то же время необходимо отметить способность зрительного аппарата человека ин-
терпретировать не только идеальные, но и искаженные до определенной степени изо-
бражения. Это во многих случаях расширяет возможности ИКС и позволяет мириться с
отклонениями от сформулированных условий оптимизации системы и отдельных её
параметров и характеристик.
Практически во всех ИКС «смотрящего» типа именно пространственно-частотная ха-
рактеристика (ПЧХ) приемника (его чувствительного элемента), но не ПЧХ оптической
системы ограничивает спектр пропускаемых без искажений пространственных частот.
9.3. МИКРОСКАНИРОВАНИЕ
Появление ложных низкочастотных составляющих в спектре дискретизированного
сигнала (наложение спектров) из-за дискретной структуры МПИ в ИКС «смотрящего»
типа - принципиальный недостаток таких систем, поскольку приводит к искажению
спектра изображения, т.е. видеосигнала, а затем и сигнала на экране системы отобра-
жения. Во избежание этого для увеличения частоты Найквиста эффективно применять
микросканирование, при котором изображение (кадр) сдвигается относительно МПИ на
какую-то часть периода расположения элемента МПИ, после чего следует выборка это-
го изображения (субкадра или субизображения). Затем полученные цифровые изобра-
жения (субкадры) объединяются, образуя один полный кадр. В известных системах ча-
ще всего используется сдвиг на половину периода расположения элементов МПИ по
каждой координате, т.е. четырехпозиционное микросканирование [98, 192]. При этом,
как будет показано далее, частота выборки удваивается по сравнению с частотой, опре-
деляемой периодом расположения элементов МПИ, а ПЧХ всей системы остается
прежней, т.е. соответствует геометрооптическим параметрам МПИ. В результате нало-
жение спектров и сопутствующие искажения заметно ослабляются, т.е. высокие про-
странственные частоты в спектре изображения (и соответствующие им мелкие детали)
успешно разрешаются. Микросканирование позволяет снизить требования к МПИ, т.е.
использовать в системе МПИ меньшего формата с большим периодом пикселов или
236
Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в ИКС
объектив с меньшим фокусным расстоянием, что важно в связи со стремлением упро-
стить конструкцию и уменьшить стоимость как МПИ, так и ИКС.
Как уже было показано, функция явых(х, у), описывающая выборку, является суммой
дельта-функций 5 (х - тХэ, у - nY3), называемой сетчатой функцией. Если при микро-
сканировании по каждой оси складываются два изображения, сдвинутые на половину
пиксела, т.е. наХэ/2 и Уэ/2, то это можно представить как
X Хб(х “ тХ^У ~ ”Гэ)+ X X5(х " ~xJ^y~nY,- К/2) =
т-00/|=-00 WJ=-COW=-CO
=X X 5(* ~т х> /2’ у -и у- /2) •
т—со л--со
Таким образом, период выборки по каждой из осей х и у уменьшается в два раза, т.е.
частота выборки увеличивается вдвое. Следовательно, предельная частота в спектре изо-
бражения, разрешаемая без искажений из-за наложения спектров, увеличивается вдвое.
Микросканирование не только увеличивает частоту Найквиста, но и повышает гео-
метрическое разрешение МПИ пропорционально числу позиций (смещений), которые
занимает изображение относительно растра МПИ, при сохранении формата МПИ и
размера углового поля теми же, что и в системе без микросканирования. Поэтому оно
оказывается весьма эффективным в системах, где используется МПИ со сравнительно
небольшим коэффициентом заполнения.
Траектория сдвигов при микросканировании может быть самой различной. Напри-
мер, на практике достаточно распространена четырехпозиционная траектория: исход-
ное положение, вправо на половину пиксела МПИ, вниз на то же расстояние, влево и
вверх, т.е. в исходное положение.
Число позиций МПИ, участвующих в одном цикле (периоде) микросканирования,
часто определяется необходимостью иметь число отдельных выборок изображения,
равное формату системы отображения. Таким образом, с помощью микросканирования
можно приводить в соответствие форматы МПИ и системы отображения.
Хотя микросканирование увеличивает частоту выборки, а следовательно, и простран-
ственное разрешение, оно одновременно приводит к уменьшению времени накопления t„.
Если при попадании изображения на чувствительный слой приемника, т.е. при оп-
росе элементов МПИ при микросканировании, время нарастания и спада сигнала т ма-
ло по сравнению с временем (периодом) накопления сигнала tH, то обеспечивается наи-
более выгодный режим микросканирования, при котором не происходит спада про-
странственно-частотной характеристики этого процесса Кмс (fx), характеризующей из-
менение геометрического разрешения при росте пространственной частоты fx.
В системе скачкообразного микросканирования переход от одной просматриваемой
части периода расположения элементов МПИ к другой, т.е. перемещение линии визи-
рования, происходит мгновенно, а затем соответствующая доля периода «посвящена»
накоплению сигнала при неподвижном изображении. Во время перемещения приемник
излучения не работает, т.е. не накапливает сигнал. Однако конструкция такой схемы
9.3. Микросканирование
237
столь сложна, что приходится накапливать сигнал во время перехода от одной части Хэ
к другой, а это ухудшает геометрическое разрешение системы.
При увеличении т, т.е. по мере его приближения к tK, закон перемещения линии ви-
зирования становится похож на линейный, a аналогична характеристике смаза
изображения — функции вида sinc(z), где z =fxt. Если обозначить функцию, описываю-
щую изменение во времени сдвига изображения относительно элемента МПИ, т.е. за-
кон сканирования, через s(f), то
7 V X
Jsin[2nfA5(/)] dt > .
Для экспоненциального закона микросканирования
5(г) = /'(0,5-е'л)/А'э,
для вращательного по кругу (нутационного) микросканирования с частотой/^,
*(0 = sm(2<0,
где f— фокусное расстояние объектива.
Микросканирование, увеличивая частоту выборки статического изображения, не
может улучшить ни оптическую передаточную функцию системы, предшествующей
МПИ, ни передаточную функцию всей системы. Положительный эффект этого процес-
са ослабляется или вообще пропадает, если он нестационарен во время интегрирования
приемником сигнала, создаваемого изображением (накопления заряда). Относительное
перемещение изображения и МПИ в течение времени пребывания элементов изобра-
жения на элементах МПИ приводит к размытию изображения. Общая передаточная
функция всей ИКС ухудшается, если имеет место несоответствие пикселов МПИ, осу-
ществляющих выборку, и системы отображения (дисплея).
При использовании микросканирования важно следить за тем, чтобы сдвиг изобра-
жения или его движение не приводили к росту аберраций или смазу изображения.
В системах с микросканированием время накопления зарядов должно быть достаточ-
ным для создания требуемого отношения сигнал-шум для каждого промежуточного изо-
бражения, т.е. субизображения, получаемого при каждом сдвиге изображения. Это может
ограничивать частоту кадров, образующихся в системе отображения. Поэтому наиболее
просто обеспечить нужную частоту кадров интегрированного изображения в системах с
МПИ, имеющих достаточно большую квантовую эффективность, что позволяет уменьшить
время накопления зарядов и считывания сигналов с элементов МПИ. Максимально допус-
тимый период кадров, наблюдаемых с помощью системы отображения, приближенно
можно определить как произведение требуемого времени накопления и считывания заря-
дов в ячейке ФПУ и числа позиций, занимаемых изображением при микросканировании.
Так, при частоте кадров 30 Гц и четырехпозиционном микросканировании (сдвиг изобра-
238
Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в ИКС
жения по каждой оси на 0,5 периода расположения пикселов) частота микросканирования
составляет 120 Гц, а соответствующее время накопления зарядов - 8,33 мс.
Микросканирование может уменьшить влияние наложения частот в спектре первого
порядка, но не в спектрах высших порядков. Для устранения наложения спектров выс-
ших порядков предлагалось использовать дополнительные ступени микросканирова-
ния, но это предложение не нашло практического применения из-за сложностей конст-
руктивного выполнения ограничения времени и обработки образующихся при этом
сигналов. При микросканировании время получения изображения возрастает пропор-
ционально числу ступеней (этапов) микросканирования, а частота кадров обратно про-
порциональна этому числу. Главное же ограничение микросканирования, как уже от-
мечалось, состоит в его неэффективности в случае подвижных объектов, изображение
которых нестабильно в течении времени обнаружения или распознавания. Поэтому, ес-
ли приоритет отдается устранению вредных побочных изображений, возникающих из-
за наложения частот, а не достижению высокого пространственного разрешения, то в
случае достаточно ярких объектов часто используется не микросканирование, а пред-
варительная пространственная оптическая фильтрация, в частности искусственное раз-
мытие изображений.
Микросканирование наиболее целесообразно для ИКС сравнительно невысокого
разрешения, например для систем с МПИ на базе InSb или КРТ формата 256x256,
имеющих высокий квантовый выход и требующих сравнительно небольшого времени
накопления. Поэтому в ИКС на их основе микросканирование позволяет улучшить раз-
решение без потери чувствительности.
Фирмой «ВАЕ Systems (BAE Systems Infra-Red Ltd.)», Великобритания, разработана
схема, в которой используется сложный «трехслойный» обтюратор, необходимый для
работы ферроэлектрического МПИ и реализующий микросканирование. В каждом окне
обтюратора расположены германиевые плоскопараллельные пластинки. Смещения
изображения Ап, вызываемые этими пластинками, зависят от угла их наклона 1П относи-
тельно оптической оси, их толщины d„ и показателя преломления п и определяются по
известной формуле [34, 61, 169 и др.]
, п-1
-----tgzn.
п
При вращении обтюратора синхронно с процессом считывания сигналов с МПИ каж-
дое окно создает свое смещение изображения, т.е. «пространственная фаза» изображе-
ния, проходящего через обтюратор, меняется. Микросканирование в системе «ВАЕ
Systems» с ферроэлектрической микроболометрической матрицей формата 256х 128 по-
зволяет довести эквивалентный формат до 256x512 элементов. Включение такой сис-
темы в конструкции ранее разработанных ИКС фирмы «ВАЕ Systems» увеличило их
массу всего на 40 г при неизменившейся потребляемой мощности.
Наклонные вращающиеся плоскопараллельные пластинки применяются в качестве ска-
нера и в ИКС, разработанной фирмой «AEG Infrafot-Module GmbH» (Германия) [98]. В
этой системе используется МПИ на базе КРТ формата 384x288 пикселов размером 24 мкм
9.3. Микросканирование
239
и с микросканированием 2x2 пиксела (рис. 9.8). При частоте кадров 25 Гц и времени нако-
пления до 2 мс здесь образуется выходное изображение формата 768x576, т.е. микроскани-
рованием увеличивают разрешение вдвое. Для уменьшения влияния различий во временах
накопления четырех субизображений в течение каждого из субпериодов, что является од-
ним из недостатков схемы с микросканированием, в этой системе выбрана траектория ска-
нирования, показанная на рис. 9.8,в. Частота вращения диска с пластинками (рис. 9.8,6),
равная 50 Гц, синхронизирована с частотой видеосигнала. Всякий раз, когда плоскопарал-
лельная пластинка находится перед окном дьюра с ФПУ в одной из четырех позиций, сис-
тема синхронизации выдает синхроимпульс в блок обработки изображений, подающий ко-
манду для начала накопления зарядов пикселами формата 384x288. После накопления сиг-
налы считываются и производится коррекция неоднородности. Затем, получив четыре от-
корректированных кадра от ФПУ, полное изображение формата 768x576 пикселов возвра-
щается в быстродействующий процессор - блок обработки изображения.
Описанная в [98] система показала на практике возможность очень хорошей кор-
рекции неоднородности отдельных элементов ФПУ, что принципиально важно для сис-
тем с микросканированием. Значение АГП не превышало 20 мК при времени накопления
1 мс и диафрагменном числе объектива^ = 2. Доля пикселов, для которых ATn > 18,2 мК,
составила 0,16%.
в)
Рис. 9.8. Схемы микросканирования:
а) микросканер - вращающаяся перед МПИ наклонная плоскопараллельная пластинка;
б) микросканер из четырех наклонных плоскопараллельных пластин, размещенных на
вращающемся диске; в) траектория сканирования, используемая для сокращения разницы во
временах накопления соседних пикселов; 1 - плоскопараллельные пластины, 2 - МПИ,
3 - чувствительный слой (активный элемент) пиксела, 4 - мгновенное положение субизображения,
5 - вращающийся диск, СИ1... СИ4 - положения центров четырех субизображений
240
Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в ИКС
В [171] описывается малогабаритная камера на микроболометре формата 320x240, ра-
ботающая в средневолновом ИК-диапазоне. В ней использован объектив переменного
увеличения (до 20х), многоточечная система коррекции неоднородности, а также система
микросканирования на двух зеркалах, колеблющихся в двух взаимноперпендикулярных
плоскостях с помощью пьезоэлектрических приводов. Микросканирование позволяет
увеличить разрешение до 7,6 период/мрад при первоначальном (без микросканирования)
значении частоты Найквиста 4,5 период/мрад. На пространственной частоте 1 пери-
од/мрад минимальная разрешаемая разность температур камеры составляет менее 50 мК.
Еще одним примером ИКС «смотрящего» типа с микросканированием является раз-
работка фирмы «Cincinnati Electronics Corporation» - система на базе МПИ из InSb
формата 256x256 элементов с коэффициентом заполнения 0,25 [129]. Четырехпозици-
онное микросканирование позволило при сохранении шага элементов МПИ 30 мкм и
фокусного расстояния 250 мм увеличить частоту Найквиста с 4,16 мрад-1 до 8,33 мрад-1.
При этом частота кадров сохранилась равной 30 Гц. Минимальная разрешаемая раз-
ность температур А7Р на частоте Найквиста 8,33 мрад-1 составила 100 мК.
9.4 ЦИФРОВАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ
Частотная характеристика цифровых фильтров, применяемых в ИКС «смотрящего»
типа, представляет собой набор узких полос пропускания. Эти фильтры улучшают ка-
чество изображения, поскольку устраняют влияние размытия изображения, имевшего
место перед выборкой за счет предварительной пространственной фильтрации, воз-
можного смаза и шумов, а также частично реконструируют изображение, тем самым
подчеркивая контур изображения при использовании цифровой интерполяции [232].
Чтобы цифровой фильтр обеспечивал большую плотность отдельных выборок сиг-
нала, нежели цифровое изображение s^x(x,y') (см. рис. 9.1), т.е. расстояние между по-
лосами пропускания гребенчатого фильтра было меньше частоты выборки, определяе-
мой периодом пикселов МПИ, его действие должно сводиться к интерполяции для ре-
конструкции изображения. Например, для перехода от сигнала (цифрового изображе-
ния) вида [...111555...] к сигналу [...101010505050...], т.е. к изображению с вдвое
большей периодичностью, фильтр должен иметь импульсную реакцию вида
gil,(-) = |[-00012221000..J.
В результате фильтрации образуется изображение с вдвое большей плотностью, не-
жели входной сигнал, т.е.
sg() = [...1111234555...].
Если представить импульсную реакцию фильтра £ф(-) в виде решетчатой функции,
имеющей R элементов на один пиксел, т.е. принять координаты элементов фильтра
9.5. Реконструкция изображения
241
равными номерам пикселов пп, поделенным на R (плотность фильтра), то в одномерном
представлении цифровое отфильтрованное изображение будет описываться суммой
sg к / *] = £ С Ms* к1R - «L
н’=-00
т.е. сверткой импульсной реакции фильтра £ф(-) с изображением s^(-), равной нулю в
точках между пикселами. Поскольку на практике пределы <^х(-)и &]>(') ограничены, то
и 5g(-) ограничено конечным значением числа пикселов пп.
В общем случае при плотности R частотная характеристика фильтра G$(fx, fy) перио-
дична с периодом, равным произведению R и частоты выборки изображения (4ыбх.
ЛыбД Спектр отфильтрованного изображения Sg(fx,fy) = S^x(fx,fy)-G^fx,fy) имеет
период, равный этому произведению Плотность пикселов отфильтрованного изображе-
ния сохраняется той же, что у фильтра.
При увеличении плотности фильтра R эффективность последующей реконструк-
ции сигнала может снизиться. В пределе при росте R фильтр становится аналого-
вым, а импульсная реакция блока реконструкции gp( ) - дельта-функцией. Хотя уве-
личение R улучшает качество реконструкции, возрастает сложность вычислений за
счет увеличения требуемого их объема, который может быть оценен произведением
NK, где N - число пикселов изображения, К - число элементов (полос) цифрового
фильтра [47].
9.5. РЕКОНСТРУКЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
Для формирования аналогового изображения отфильтрованный после выборки сиг-
нал необходимо пропустить через реконструирующий фильтр с частотной характери-
стикой Gv(fx,fy), чтобы получить изображение со спектром, как можно более близким к
спектру исходного сигнала L(fx,fy) или его изображения после объектива SBX (fx,fy).
В зависимости от конкретного применения блок реконструкции может представлять
собой аналоговое оптическое устройство, например дисплей или монитор в совокупно-
сти со зрительным аппаратом человека-наблюдателя, или устройство для цифровой об-
работки сигналов, например билинейный интерполятор, используемый для геометриче-
ской коррекции, масштабирования, поворота и других геометрических преобразований,
часто снова требующих выборку [47]. (На рис. 9.1 блок реконструкции и система ото-
бражения показаны в виде отдельных звеньев.)
Описывая линейные преобразования сигнала в оптической системе и ФПУ произведе-
нием передаточных функций (частотных характеристик) оптической системы Gonr и
приемника G3 (fx,fy) и пренебрегая сверткой произведения ОФПу (fx,fy) = <70Пт (fx,f^G3 <fx,fy) и
спектра R (fx,fy), что допустимо при больших числах тп и п элементов МПИ, выполняющих
выборку по осям х и у, а также действием цифрового фильтра, можно показать, что на
выходе реконструирующего фильтра спектр сигнала будет иметь вид
242
Глава 9. Некоторые особенности обработки сигналов в ИКС
S, (f,. f, ) - £ Е f, (Л. f,) exp {-J [(/. - )в, + (/, - )6,),
Л=СС
m=co
где fxnfy- пространственные частоты по осям хи у, соответственно; /въ^х и/ъы^у - час-
тоты выборки по осям х и у, соответственно; 0х и О,. - фазовые (пространственные)
сдвиги координат точек выборки относительно начал координат по осям хи у, соответ-
ственно; п и т - число выборок по осям х и у, определяемые форматом МПИ.
После реконструирующего фильтра с передаточной функцией Gp спектр сиг-
нала будет иметь вид [61, 143 и др.]
л »оо
т=оэ
(здесь для упрощения записи фазовые сдвиги 0Х и 0Л, не учитываются).
Первое слагаемое в правой части этого выражения, соответствующее п, т = 0, описы-
вает линейно преобразованный спектр изображения L (fx, fy), не искаженный редукцией
частот (наложением спектров), а второе - возникающие из-за выборки побочные (лож-
ные) изображения, которые при реконструкции сигнала желательно устранить. Процесс
реконструкции сводится к такой фильтрации выходного сигнала 5и(х, у) или его спектра
5И(4, fy), когда побочные изображения, т.е. их спектры, максимально подавлены. На рис. 9.9
представлен пример, когда побочные спектры полностью не подавлены и в реконструи-
рованном изображении наблюдаются шумы пространственной дискретизации.
При реконструкции изображения размер пятна рассеяния системы отображения
(дисплея, монитора) подбирается таким, чтобы обеспечить качественное воспроизведе-
ние как однородных по яркости участков отображаемой сцены, так и участков с резки-
ми ее перепадами. Обычно действие дисплея оценивается гауссовской моделью рас-
пределения яркости в пятне рассеяния (см. гл. И).
Рис. 9.9. Основной сигнал и побочные спектры до (a, S и S") и после (б, Sp, S'p) реконструкции с
помощью фильтра с частотной характеристикой Gp.
9.5. Реконструкция изображения
243
Для реконструкции обычно используются такие алгоритмы, как билинейная и куби-
ческая свертка, алгоритм ближайшего соседа, и ряд других [47].
Поскольку передаточная функция оптической системы Gom(fx,fy) представляет собой
монотонно убывающую функцию пространственных частот, а пространственно-
частотные спектры фонов, на которых обычно наблюдаются обнаруживаемые или рас-
познаваемые объекты, имеют наиболее мощные составляющие на близких к нулю про-
странственных частотах, часто для подавления этих фонов и с учетом выборки реко-
мендуется иметь частотную характеристику реконструирующего фильтра вида
<£(/../,) при |/,|<Л.,/2,
о при |/.|гД,./2, |/,|>/„,/ 2.
Качество обработки сигнала и, в частности, его реконструкции можно оценить ко-
личественно, если определить расхождение между исходным изображением L(x, у) или
sBX(x, у) и изображением на выходе sH(x, у). При случайном характере просматриваемого
поля (сцены) и шумов дисперсия этого расхождения определяется как
ОО DO
— 00 — СО
Критерием расхождения может служить параметр [113]
где с* - усредненная по ансамблю дисперсия яркости сцены.
Этот критерий и средняя квадратическая оценка достаточно условны, посколь-
ку не совсем точно характеризуют процесс распознавания образов человеком-
наблюдателем или ИКС. Тем не менее они полезны при сопоставлении различных ал-
горитмов и систем, используемых на практике.
Рассмотренные в гл. 4 показатели эффективности работы ИКС, предназначенных для
решения задач по обнаружению, распознаванию, классификации и идентификации, зависят
от качества изображений, получаемых с помощью ИКС. Поскольку в системах с выборкой
это качество зависит от соотношения между граничной пространственной частотой в спек-
тре изображения и частотой выборки, представляет интерес сопоставить традиционные
критерии пространственного разрешения требованиями к параметрам выборки. В [113,
114] приведены результаты такого сопоставления для различных видов реконструирующих
фильтров применительно к задачам обнаружения, распознавания и идентификации при га-
уссовском законе распределения сигнала до его выборки. Была подтверждена эффектив-
ность критериев Шаде и Лего (см. п. 4.2.1), а также получены рекомендации по выбору оп-
тимальных соотношений между размером гауссовского изображения и пространственным
периодом его выборки для трех видов импульсных реакций реконструирующих фильтров:
гауссовской, прямоугольной и прямоугольной с предшествующей интерполяцией. В двух
последних случаях учитывалась импульсная реакция глаза наблюдателя.
Глава 10
ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В
ПРОГРАММНО-АППАРАТНОМ БЛОКЕ
ИНФРАКРАСНОЙ СИСТЕМЫ
«СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
10.1. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЭЛЕКТРОННОГО ТРАКТА
ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
Схемы и конструкции программно-аппаратных блоков (электронных трактов) ИКС
конкретного назначения могут существенно различаться. Вместе с тем большинство из
них содержат узлы, выполняющие однотипные операции по приему и обработке сигна-
лов, снимаемых с элементов МПИ. На рис. 10.1 приведена типовая структурная схема
электронного тракта ИКС «смотрящего» типа.
Первичная обработка сигнала производится в ФПУ, включающем МПИ и схему
считывания (СС). Последняя содержит накопительные ячейки, предварительные усили-
тели, схемы выборки и хранения сигналов на время их считывания, а также мультип-
лексор, который необходим для уплотнения сигналов во времени, чтобы свести к ми-
нимуму число выходов с ФПУ. Схема считывания может иметь сотни тысяч и миллио-
ны отдельных ячеек соответственно числу опрашиваемых элементов МПИ.
Во многих современных ФПУ обработка сигналов, считываемых с отдельных эле-
ментов МПИ, оказывается более сложной, поскольку может включать, например,
двойную коррелированную выборку, временную задержку и интегрирование при ска-
нировании или микросканировании, защиту схемы считывания от насыщения, вычи-
тание из суммарного сигнала (от объекта и фона) среднего значения сигнала от фона.
Перечисленные процессы особенно важны при работе ИКС в условиях малого кон-
траста между объектом и фоном (в диапазонах 3...5 и 8...14 мкм) и особенно для
схем считывания на базе ПЗС, у которых накопительная емкость ячеек считывания
невелика. Это объясняется необходимостью, с одной стороны, увеличивать время на-
копления сигнала и, с другой - не допускать переполнения потенциальных ям ПЗС-
структуры. В результате усложняется ФПУ, но зато существенно упрощается после-
дующий электронный тракт обработки сигналов. Возможные схемы реализации этих
методов описаны в литературе [7, 51, 143, 151 и др.].
10.1. Структурная схема электронного тракта
245
Рис. 10.1. Типовая структурная схема электронного тракта ИКС
На чувствительные элементы МПИ от внешнего источника подается напряжение
питания, которое может быть постоянным или импульсным. В последнем случае ис-
точник питания тактируется импульсами, поступающими от синхрогенератора, кото-
рый и управляет работой электронного тракта.
При использовании охлаждаемых МПИ рабочая температура ФПУ обеспечивается
системой криогенного охлаждения, а при неохлаждаемых МПИ - термостабилизацией.
Если в ИКС применяется межкадровая обработка изображений (накопление, вычи-
тание и др.), обычно требуется осуществлять выборку и запоминание во времени сиг-
налов, получаемых от каждого из последовательно формируемых кадров, перед их счи-
246 Глава 10. Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
тыванием мультиплексором. Чаще всего для выполнения этих операций используют
ключи на базе полевых МОП-транзисторов, фиксирующие конденсаторы и буферные
усилители с коэффициентом усиления, близким к единице, которые формируются в од-
ном чипе с другими звеньями СС.
Схемы считывания создаются на основе хорошо освоенной кремниевой технологии
на базе ПЗС- или комплементарных МОП-структур (КМОП-транзисторов), что позво-
ляет обеспечивать высокое разрешение, хорошую чувствительность и малое энергопо-
требление. Сравнительный анализ кремниевых схем считывания и мультиплексоров на
ПЗС- и МОП-структурах проводился неоднократно [23, 161 и др.].
Схемы на полевых КМОП-транзисторах, которые в последнее десятилетие стали
широко применять вместо ПЗС, позволили увеличить полосы пропускания частот, ли-
нейность преобразования накопленных зарядов в видеосигнал и отношение сигнал-
шум, а также реализовать ряд дополнительных операций по первичной обработке при-
нимаемых сигналов. Современная технология обеспечивает больший процент выхода
бездефектных КМОП-структур, обладающих хорошей однородностью по кристаллу.
Эти структуры успешно работают в широком диапазоне температур (выдерживают ох-
лаждение до 10 К и ниже), позволяют работать на высоких частотах вывода данных
(десятки мегагерц) и имеют малые габариты.
Полевые КМОП-транзисторы, которые обычно считывают сигналы с пикселов МПИ
построчно в параллельном режиме и, как правило, со схемой обработки сигнала, раз-
мещенной в каждом столбце матрицы, позволяют заметно разнообразить конструкции
схем считывания по сравнению со схемами на ПЗС-структурах. После аналоговой об-
работки (выборки и хранения) полученные данные мультиплексируются в АЦП по не-
скольким каналам. В ПЗС-структурах происходит последовательная обработка сигна-
лов, причем результирующий одноканальный видеосигнал при одинаковых требовани-
ях к частоте кадров должен иметь намного большую частоту выборки пикселов. Элек-
тронный тракт современных ИКС, выполняющий обработку сигналов с выходов эле-
ментов МПИ, позволяет получить на выходе аналоговый видеосигнал или цифровой
сигнал с разрешением до 14... 16 бит.
КМОП-структуры, создаваемые в том же кристалле (чипе), что и МПИ на базе
КМОП, позволяют заметно уменьшить стоимость и размеры ФПУ; в них использует-
ся меньшее число источников питания, чем в ПЗС-структурах; они не требуют повы-
шенных напряжений, которые необходимы для систем считывания на ПЗС; потреб-
ляемая ими мощность меньше. Однако объединение приемника и аналоговой схемы
обработки в одном кристалле усложняет задачу снижения уровня шума, в частности
шума выборки (АТС-шума), появляющегося при разряде конденсатора узла считыва-
ния. Последовательный процесс считывания в ПЗС-структурах позволяет почти пол-
ностью избавиться от шума выборки, применяя схемы двойной коррелированной вы-
борки (см. §10.4). Поэтому ФПУ на ПЗС, обладающие меньшими геометрическим
шумом и темновым током, а также высокой чувствительностью, до сих пор широко
применяются в большом числе ИКС, используемых, например, в научных исследова-
ниях и медицине.
10.2. Схемы считывания сигналов
247
В настоящее время при работе ИКС в спектральных диапазонах 3...5 и особенно
8... 14 мкм, где поток излучения фона обычно велик, предпочтение отдается КМОП-
структурам, поскольку емкость потенциальных ям в ПЗС сравнительно невелика, что
ведет к их переполнению.
На выходе мультиплексора помимо полезного сигнала имеются временной (т.е. за-
висящий от времени) и инвариантный во времени геометрический шумы. Последний
обусловлен неоднородностью параметров чувствительных элементов МПИ и схемы
считывания, и его амплитуда обычно во много раз превышает амплитуду полезного
сигнала. Для снижения геометрического шума до приемлемого уровня производится
специальная обработка сигнала - так называемая компенсация или коррекция неодно-
родности, которая может выполняться до преобразования аналоговых сигналов в циф-
ровые.
На первой стадии такой обработки в вычитающем усилителе из сигналов, посту-
пающих со схемы считывания, вычитаются индивидуальные для каждого пиксела
значения постоянной составляющей - пьедестала. Для этого на инвертирующий вы-
ход вычитающего усилителя подается напряжение с выхода цифро-аналогового пре-
образователя (ЦАП), управляемого цифровым сигнальным процессором. Разностный
сигнал преобразуется АЦП в цифровой сигнал и затем обрабатывается цифровым
сигнальным процессором. Разрядность такого преобразования во многих современ-
ных ИКС должна быть порядка 12... 14 бит при частоте выдачи данных до 10 МГц, а
иногда и до 20 МГц. При этой обработке выполняются более точная компенсация не-
однородности, коррекция дефектных пикселей, автоматическая регулировка яркости
и контрастности, электронное масштабирование изображения, после чего формирует-
ся цифровой видеосигнал. При периодически повторяемых процедурах калибровки
сигнальный процессор рассчитывает значения коэффициентов коррекции, которые
затем сохраняются в ОЗУ.
Режимами работы сигнального процессора, а также параметрами видеосигнала, та-
кими как яркость, контрастность, коэффициент электронного масштабирования и др.,
управляют с пульта управления. Цифровой видеосигнал с помощью видеопроцессора
преобразуется в стандартный аналоговый видеосигнал PAL или NTSC.
10.2. СХЕМЫ СЧИТЫВАНИЯ СИГНАЛОВ
10.2.1. НАЗНАЧЕНИЕ И ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА СХЕМ
СЧИТЫВАНИЯ СИГНАЛОВ
Основными параметрами звеньев, осуществляющих выборку и хранение сигналов,
являются время установления рабочего режима и уровень шума. Первый обусловлен
временем, необходимым для накопления (или съема) заряда на фиксирующем конден-
саторе, а также емкостью предусилителя или буферной цепи, находящейся перед клю-
чом, осуществляющим выборку. Шум цепи выборки и хранения определяется тепловым
248 Глава 10, Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
шумом (АТС-шумом) фиксирующего конденсатора; он должен быть гораздо меньшим,
чем шум на выходе предшествующего предусилителя.
Поскольку в большинстве современных ИКС схема считывания составляет единое
целое с МПИ, образуя фотоприемное устройство (ФПУ), многие из параметров и ха-
рактеристик МПИ, рассмотренных в §7.2 и 7.3, относятся к ФПУ в целом, т.е. и к схеме
считывания. Одним из важнейших показателей качества СС, определяющих достижи-
мое на ее выходе отношение сигнал-шум, является эквивалентный шуму заряд за время
кадра Ncc, характеризующий шум всей СС. Этот параметр измеряется числом электро-
нов, приходящих на вход и образующих за время кадра или выборки сигнал, при кото-
ром отношение сигнал-шум в определенной полосе частот на выходе схемы равно еди-
нице. Связь Ncc и пороговой облученности Еп элемента МПИ определяется по формуле
Ncc! Сл^пи^н)»
где т)9 - квантовая эффективность приемника; Лпи - площадь чувствительного слоя эле-
мента МПИ; tK - время накопления (интегрирования заряда).
Сегодня в ряде ИКС Nx достигает единиц (до десятка) электронов при работе в спек-
тральном диапазоне до 5 мкм и 30...50 электронов при работе в диапазоне 8... 14 мкм.
Однако типичные значения N^ составляют сотни и даже тысячи электронов.
При временах накопления более 100 мс, т.е. при работе с малыми потоками, попа-
дающими на приемник, в схемах считывания весьма заметен \/f -шум. Обычно из-за его
влияния приведенное ко входу число шумовых фотоэлектронов прямо пропорциональ-
но времени интегрирования сигнала.
Другими составляющими шума СС могут быть белый шум входной цепи (предуси-
лителя) и шум устройств сброса или установки нулевого положения. Первую из них
можно снизить, уменьшив накопительную емкость, а вторую, возникающую при уста-
новке начального напряжения на емкости и пропорциональную y/kT IC , где С — ем-
кость, Т — температура, к — постоянная Больцмана, - с помощью двойной коррелиро-
ванной выборки (см. §10.5).
Важным показателем качества СС является динамический диапазон сигналов, огра-
ничиваемый снизу значением Ncc, а сверху - максимальным сигналом (зарядом), вызы-
вающим насыщение СС, в частности переполнение ячейки накопления зарядов. Этот
параметр определяет возможности реализации различных схем обработки сигналов,
снимаемых с отдельных элементов МПИ, например схем коррекции неоднородности
или межкадровой обработки изображений.
Насыщение ячеек СС может привести к ухудшению пространственного (геометро-
оптического) разрешения ФПУ и ИКС в целом, т.е. к ухудшению пространственно-
частотных и температурно-пространственных характеристик, а также к размытию фор-
мируемых на выходе ИКС изображений. То же наблюдается при больших перекрест-
ных связях между ячейками СС.
С динамическим диапазоном тесно связаны линейность рабочей характеристики
СС, коэффициент усиления сигналов и сохранность линейности при изменении уровня
сигналов, снимаемых с МПИ, также определяющие возможности калибровки и коррек-
10.2. Схемы считывания сигналов
249
ции неоднородности чувствительности отдельных элементов МПИ. Для ряда СС эти
параметры зависят от входного импеданса схемы считывания (или ее первых звеньев -
предусилителей сигнала), изменение которого в процессе работы ФПУ может заметно
сказаться и на шумах СС, а не только на динамическом диапазоне и линейности рабо-
чей характеристики.
Многие электрические и технико-экономические параметры СС и отдельных их
звеньев зависят от технологии изготовления элементов. В частности, достижимые раз-
меры некоторых элементов СС определяют формат многих современных МПИ и ФПУ
на их основе. А от этого, в свою очередь, зависит пространственное и энергетическое
разрешение многих ИКС «смотрящего» типа.
Наконец, для систем с охлаждаемыми ФПУ очень важно значение рассеиваемой в
СС мощности, отводимой от охлаждаемой конструкции. Этот показатель тесно связан
с такими параметрами устройств охлаждения, как время их наработки, время выхода на
рабочий режим (температуру), масса.
10.2.2. ПРЕДУСИЛИТЕЛИ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЯЧЕЕК СХЕМ СЧИТЫВАНИЯ
Чтобы обеспечить прием сигналов, соответствующих большим перепадам освещен-
ности в изображении, и необходимые пределы корректировки неоднородностей чувст-
вительности отдельных элементов МПИ, транзисторный предусилитель схемы считы-
вания должен иметь достаточно большой динамический диапазон усиления. Обычно
именно предусилитель является основным источником шума схемы считывания, зави-
сящего от сопротивления источника входного сигнала - чувствительного элемента
МПИ.
Наиболее распространенные схемы включения чувствительных элементов на вход
предусилителей представлены в табл. 10.1 [151]. В силу разнообразия типов приемни-
ков излучения чувствительный элемент МПИ в табл. 10.1 изображен в виде кружка.
Схема 1, в которой заряды накапливаются на собственной емкости приемника, наи-
более проста и содержит наименьшее число элементов. Выборка сигнала происходит в
моменты замыкания ключа мультиплексора, т.е. когда в конце каждого кадра накопи-
тельная емкость «очищается». Эквивалентная шумовая схема включения такого преду-
силителя показана на рис. 10.2, где R3, Сэ - сопротивление и емкость элемента МПИ;
/?вх, С ж ~ входное сопротивление и емкость усилителя; Иш, /ш - генераторы, модели-
рующие шумовые напряжение и ток.
Вместо полевого МОП-транзистора в предусилителе могут использоваться полевые
транзисторы с управляющим р-и-переходом или биполярные транзисторы, первые -
при необходимости получить малое значение эквивалентного шумового тока /ш (для
высокоомных приемников, например для кремниевых фотодиодов, приемников на базе
силицида платины), а вторые - малое значение эквивалентного шумового напряжения
(для низкоомных приемников, например, фоторезисторов на базе КРТ).
250
Глава 10, Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
Таблица 10.1
Типовые схемы предусилителей, применяемых в схемах считывания сигналов ФПУ
Номер схемы Электрическая схема Динамический диапазон сигналов (напряжение насыщения/ напряжение шума) Мощность рассеяния одной ячейки, мкВт Минимальная площадь ячейки, МКМ ХМКМ
1 X 1 С >200 <0,5 <10х<10
2 S'—я—► -2000 -0,5 <20х<20
3 £ ——«г—► >10000 3...40 35x35
4 у УТ *6 -2500 при среднем уровне шуме <0,5 <20х<20
5 >]т_ УТ -ZTc 5000 6...30 40x40
6 УТ, d -2000 <0,5 30x30
7 R I"1 ] УТ J»! То же Тоже То же
8 THz ► —J H-► >10 000 12...500 100x100
10.2. Схемы считывания сигналов
251
Схема 2 с буферным усилителем после
приемника позволяет с помощью мульти-
плексора считывать сигналы в виде на-
пряжений, а не токов, как в схеме 1. В
простейшем случае в качестве буферного
усилителя может быть использован рези-
сторный трансимпедансный усилитель
(РТУ), преобразующий входной сигнал в
виде тока в напряжение на выходе. Этот
усилитель не накапливает заряд во время
кадра, а выдает непрерывный сигнал в ви-
де напряжения, амплитуда которого про-
порциональна входному току (фототоку).
Если ранее РТУ
Рис. 10.2. Эквивалентная схема включения
элемента на вход СС
в виде отдельного элемента мог использоваться в системах с относи
тельно небольшим числом элементов МПИ, то в настоящее время РТУ, изготавливае-
мые виде на одном чипе со схемой выборки и хранения сигналов и мультиплексором,
успешно применяются в ФПУ больших форматов.
При выборе параметров схемы с РТУ важно подобрать такое сопротивление в цепи
обратной связи, которое одновременно обеспечивает минимальный тепловой шум и
достаточный коэффициент усиления схемы.
Наличие ключа в цепи приемника объясняется тем, что мультиплексор не может
снимать сигнал через буферный усилитель. Аналогичная, но более подробная схема на
рис. 10.3 состоит из транзисторного ключа сброса, истокового повторителя и ключа
выбора строк. В этой схеме коэффициент усиления истокового повторителя на полевом
МОП-транзисторе выбирается близким к единице, т.е. здесь, как и в схеме 1, не проис-
ходит усиления сигнала в ячейке накопления. Накопительная емкость определяется ем-
костью чувствительного элемента
МПИ и входной емкостью транзисто-
ра-повторителя. Такая схема эффек-
тивна при малом сопротивлении при-
емника, когда его вклад в общий шум
пренебрежимо мал.
Иногда для обеспечения широкой
полосы пропускания, что важно, на-
пример, для работы со слабыми сиг-
налами в средневолновом ИК-диапа-
зоне, используется не резисторный
трансимпедансный усилитель, а емко-
стной [102].
В обеих рассмотренных схемах (1
и 2 табл. 10.1). напряжение смещения
на элементе МПИ изменяется в про-
Рис. 10.3. Схема выборки и хранения, обеспечивающая
запоминание кадра в ячейке
252 Глава 10, Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
цессе накопления зарядов. Это приводит к нелинейности выходной характеристики
(напряжения на выходе схемы) в тех случаях, когда выходной сигнал приемника зави-
сит от напряжения смещения.
В схеме на рис. 10.3 ячейка считывания содержит только три транзистора, что по-
зволяет сделать ее размеры небольшими и применять в ФПУ больших форматов.
Несмотря на то, что КМОП-технология, используемая при изготовлении таких схем,
хорошо освоена, следует учитывать, что в этом случае шумы считывания сравнительно
велики, поскольку из-за интегрирования чувствительного элемента со схемой считыва-
ния невозможна двойная коррелированная выборка (см. §10.4). Кроме того, в таких
схемах может возникнуть проблема так называемой задержки изображений, хотя суще-
ствуют и способы ее разрешения [161].
В схеме 3 (см. табл. 10.1) предусилитель с большим коэффициентом усиления охва-
чен цепью емкостной обратной связи, в которой и происходит накопление заряда. Из-
менение заряда приводит к небольшим изменениям сигнала на входе дифференциаль-
ного усилителя. Это позволяет стабилизировать напряжение смещения в цепи прием-
ника и линеаризует рабочую характеристику схемы. Поскольку в такой схеме коэффи-
циент усиления регулируется цепью обратной связи, а не приемника, здесь можно ис-
пользовать большое усиление сигнала перед его мультиплексированием. Однако схема
требует гораздо больше места в чипе, чем две первые.
Схема 4 с прямой инжекцией предназначена для работы с низкоомными приемни-
ками излучения. Используемый в ней полевой МОП-транзистор помогает сохранить
напряжение смещения постоянным. Накапливаемый заряд интегрируется на емкости,
включенной в цепи стока транзистора и определяющей коэффициент усиления, кото-
рый, как и в схеме 3, может быть сделан достаточно большим. Эта схема, по своей
компактности уступающая только схеме 1, давно используется как входная для ПЗС-
матриц при средних и больших облученностях МПИ, когда обеспечивается стабильное
напряжение смещения на приемнике. В разработках компании «Raytheon» емкость от-
дельной ячейки СС достигает 5’107 электрон. Разрабатываются схемы с емкостью до
108 электрон [99]. При малых уровнях тока на выходе приемника входной импеданс
схемы резко возрастает, что приводит к нестабильности смещения до нескольких де-
сятков милливольт, увеличивающей геометрический шум таких ФПУ и неоднород-
ность темновых токов отдельных элементов, а также к снижению числа накапливаемых
зарядов.
Схема 5 с прямой инжекцией, усиленной с помощью обратной связи, включает ин-
вертирующий усилитель, помещенный между цепью приемника и затвором МОП-
транзистора. Это уменьшает входной импеданс при работе с фоном, создающим малую
облученность, что и определяет область применения этой схемы. Как и в схеме 1, на
выходе схем 4 и 5 может быть включен буферный усилитель для преобразования сиг-
нала в виде тока (заряда) к напряжению.
При очень больших облученностях приемника не удается собрать все образующиеся
заряды в одну ячейку с ограниченной емкостью (вместимостью). В таких случаях сум-
мируемый заряд перед интегрированием необходимо ограничить предусилителем тока
10.2. Схемы считывания сигналов
253
с нагрузкой в виде МОП-транзистора, источником питания которого служит приемник
(см. схему 6, иногда называемую схемой с зеркальным отображением). В схеме 7 с на-
грузочным сопротивлением в цепи приемника решается та же задача, т.е. уменьшается
заряд, поступающий на вход полевого МОП-транзистора и накапливаемый на интегри-
рующей емкости. К сожалению, схемам 6 и 7 присуща та же нестабильность напряже-
ния смещения, что и схемам с прямой инжекцией.
Схема 8 подобна схеме 3, но здесь емкость обратной связи и ключ заменены рези-
стором, а заряд, образующийся в приемнике, не накапливается непрерывно, а снимает-
ся в виде пропорционального ему выходного напряжения. Поскольку при этом не про-
исходит «очистки» ячейки после съема (выборки) сигнала, верхний предел частотной
характеристики такой схемы ограничен. Кроме того, в ней необходимо использовать
высокоомную обратную связь для получения достаточно большого усиления, такого,
например, как в схеме 3. Большое сопротивление резистора обратной связи требует
увеличения его площади для уменьшения 1/f-шума и дрейфа, что сопровождается уве-
личением площади ячейки схемы считывания и затрудняет увеличение разрешения и
формата ФПУ.
Ряд рассмотренных схем более подробно проанализирован в [122, 151]. В [122] при-
водятся формулы и график для расчета и выбора уровня шума (среднего квадратиче-
ского значения числа «шумовых» электронов), интегрирующей емкости, коэффициен-
тов преобразования «заряд (фотоэлектроны) - напряжение» и некоторых других пара-
метров СС в зависимости от отдельных параметров элементов, входящих в состав рас-
смотренных схем.
Многие фирмы, ведущие разработку МПИ и ИКС на их основе, выпускают стан-
дартные схемы считывания. В качестве примера в табл. 10.2 приводятся технические
характеристики стандартных микросхем считывания компании «Indigo Systems»
(США), которые могут использоваться с МПИ на основе InSb, КРТ, ФКЯ и работать в
режимах как одновременного накопления, так и последовательного накопления и счи-
тывания. Считывание, направление которого по строкам и столбцам может изменяться
на противоположное, может осуществляться как для всех пикселов, так и для части
кадра (субкадровые режимы). При этом части пикселов задается формат и положение
субкадра. Число выходов может устанавливаться равным 1, 2 или 4. Во всех микросхе-
мах можно регулировать напряжения смещения приемников, коэффициенты усиления
и вычитать из тока всех пикселов постоянное значение. Микросхемы имеют встроен-
ный температурный датчик и могут работать в интервале температур 80...300 К.
Для всех этих микросхем предусмотрены режим фиксирования мгновенного состоя-
ния, умножение на 1; 1,3; 2; 8, а также два режима накопления: «накопление при счи-
тывании» (Opt.l) и «накопление, а затем считывание» (Opt.2). Коэффициент усиления
можно регулировать в диапазоне двух бит. Режимами считывания являются инвертиро-
вание (строк), реверсирование (столбцов), инверсия (строк-столбцов) и повтор строк.
Для управления напряжением смещения на чипе используют напряжение смещения
датчика (7 бит), а также регулировку напряжений питания (2 бита) и основного смеще-
ния (3 бита). Кроме того, все микросхемы имеют эталонный выход.
254
Глава 10. Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
Технические характеристики стандартных микросхем
Характеристики ISC 9801 Opt. 1-2 ISC 9806 Opt. 1-2
Формат матрицы 128x128 128x128
Шаг пикселов, мкм 30 38
Время накопления, мкс >5 >5
Рабочая температура, К 80 (до 310) 80 (до 310)
Входная цепь Прямая инжекция Прямая инжекция
Полярность входа р-на-и р-на-и
Диапазон смещения на датчике, В -0,15...0,5 -0,15...0,5
Разрешение смещения на датчике, мВ 5 5
/?оЛпи (миним.), Ом-см МО3 1хЮ3
Емкость датчика (максимальная), пФ 0,5 0,5
Варианты схем Opt.l Opt.2 Opt.l Opt.2
Объем хранения: 1 (при минимальном усилении) 2 3 4 (при максимальном усилении) 6,9-10б 5,2-10б 3,4-10б 1,9-10б 18-Ю6 13-106 8,8-10б 4,9-10б 6,9-10б 5,2-10б 3,4-10б 1,9-10б 39-Ю6 29-IO6 19-Ю6 10-106
Входной ток: минимальный, пА номинальный, нА максимальный, нА 20 1 10 20 1 10
Минимальное время накопления, мкс 5 5
Варианты схем Opt.l Opt.2 Opt.l Opt.2
Среднее квадратическое значение шума, электрон, при усилении: минимальном максималь'ном <450 <300 <1200 <1100 <450 <300 <1500 <1400
Выходное напряжение, В 3 3
Выходной интерфейс: R, кОм С, пФ >100 25 >100 25
Рабочая частота пикселов, мГц 10 10
Полная частота кадров, Гц: 1 выход 2 выхода 4 выхода 480 800 1200 480 800 1200
Мощность, мВт: 1 выход 4 выхода 25 105 25 105
* Рассчитанное значение
10.2. Схемы считывания сигналов
255
считывания компании «Indigo Systems»
Таблица 10.2
ISC 9705 ISC 9803 Opt. 1-2 ISC 9901 Opt. 1-2 ISC 9809
320x256 640x512 640x512 320x256
30 25 20 30
>5 >9,6 >100 >0,5
80 (до 310) 80 (до 310) 80 (до 310) 80 (до 310)
Прямая инжекция Прямая инжекция Прямая инжекция CTIA
р-на-и р-на-и р-на-и р-на-и или и-на-р
-0,1...0,5 0,5 (вплоть до 0,8) 0...0,5 0...0.5 0...2,5
5 5 5 Внешнее управление
1хЮ3 1хЮ3 1хЮ3 1хЮ3
0,5 0,5 0,5 0,1
— Opt.l Opt.2 Opt.l Opt.2 —
18-Ю6 13,5-10* 9-10б 4,5-10б 11,210* 8,4-106 5,6-10б 2,8-10б 3,2-10б 2,4-10б 1,6-106 0,8-106 7-10б 5,2-10* 3,5-10* 1,8-10* 3-10* 2,3-106 1,5-10* 0,7510б 3,5 10б Отсутствует Отсутствует 170103
20 1 10 1 1 10 1 1 10 Отсутствует Отсутствует Зависит от /н
5 9,6 «100 0,5
— Opt.l Opt.2 Opt.l Opt.2 —
<1800 <1300 <550 <350 <250 <250 <350 <200 <300* <300* <700 <70
3 2,5 2,5 2,8
>100 25 >100 25 >100 25 >500 25
10 10 10 10
110 202 346 30 58 107 30 55 97 ПО 201 346
30 120 90 180 90 180 90 150
256 Глава 10, Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
Приведенные в табл. 10.2 значения шумов соответствуют средним квадратическим
числам шумовых электронов в секунду. Измерение и анализ среднего квадратического
значения шума проводились для рабочей температуры 80 К, за исключением микро-
схем ISC 9809, для которых шум измерялся при времени накопления (интегрирования)
= 16 мс и температуре 300 К.
В [99] проведен анализ требований, предъявляемых к схемам считывания различных
МПИ. Параметры этих схем, разрабатываемых компанией «Raytheon IRCoE» приведе-
ны в табл. 10.3.
Таблица 10.3
Технические характеристики (требования) схем считывания,
разрабатываемых компаний «Raytheon IRCoE» [99]
Рабочая температура, К 10...300 80...300 2...70
Формат, пиксел 432x432 256x256 128x128 640x480 256x256 128x128 2052x2052 1024x1024 512x512 320x320 256x256
Наименьшие размеры ячейки, мкм 30x30 <25x25 27x27
Динамический диапазон входных сигналов, дБ 72 84...90 86
Нелинейность, % <3 <0,3 <1
Шум считывания, электрон <35 <1000 <20 (слабый фон) <1000 (мощный фон)
Мощность рассеяния, мВт -100 5...250 0,3 (слабый фон) <100 (мощный фон)
Неоднородность коэффициента усиления, % 1 1 1
Коэффициент перекрестных электрических связей, % <0,1 <0,1 <0,1
Максимальная частота кадров, Гц 120 300 500
Максимальная частота выходного сигнала, МГ ц 10 12 2,5
Максимальная выходная емкость, пФ 200 50 600
Компанией «Raytheon IRCoE» разработаны схемы считывания для резисторных и
диэлектрических болометров [99]. Форматы этих схем — 320x320 пикселов размером 25
и 50 мкм, а мощность рассеяния - менее 100 мВт. Неохлаждаемые ФПУ, работающие с
этими схемами в составе ИКС с К— 1 и FK = 30 Гц, имеют /\ТП <10 мК для пиксела раз-
мером 50 мкм и ДГ„ < 50 мК для пиксела размером 25 мкм.
В [99] сообщается о том, что компания «Raytheon IRCoE» создала опытные образ-
цы оптических схем для параллельной передачи информации, потребляющие малую
10.3. Мультиплексоры
257
мощность (0,02 мВт на 106 пикселов), обеспечивающие высокую скорость обработки
данных (100 Мб/с) и работающие при температуре 80 К. Назначение таких схем - эф-
фективная передача сигналов из охлаждаемого объема (дьюара с ФПУ) к неохлаждае-
мым электронным блокам для последующей их обработки. Схемы используют матрицу
полупроводниковых лазеров. Драйвер лазера преобразует напряжение сигнала, посту-
пающего на его вход, в ток, модулирующий поток, излучаемый лазером.
10.3. МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ
Мультиплексор представляет собой совокупность ключей или ячеек, которые пере-
дают сигнал в виде временной последовательности видеоимпульсов от фоточувстви-
тельных элементов ФПУ на общую шину, к которой подключен видеоусилитель. Наи-
более распространены мультиплексоры на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) и
мультиплексоры с прямой адресацией и сканированием на основе КМОП-структур.
В матричном ФПУ используются два мультиплексора: для считывания (развертки)
сигнала по столбцам и по строкам. При этом обычно сравнительно медленно осуществ-
ляется развертка по столбцу фоточувствительных элементов (пикселов), а с высокой
скоростью - строчное мультиплексирование.
Используя несколько выходов, можно осуществлять чересстрочное считывание или
раздельное считывание от отдельных квадрантов матричного ФПУ.
10.3.1. МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ НА ПЗС
В ПЗС используется свойство МОП-структур хранить пакеты неосновных носителей
заряда в локализованных потенциальных ямах под электродами на границе окисел—крем-
ний. Управляя процессом образования потенциальных ям в смежных ячейках путем по-
дачи на электроды импульсного напряжения в соответствующей последовательности,
можно выполнить направленный перенос заряда. Такие устройства называются ПЗС-
регистрами сдвига. На их основе и создаются ПЗС-мультиплексоры.
В качестве примера на рис. 10.4 показана структурная схема трехфазного матрично-
го ПЗС-мультиплексора, используемого для считывания сигнала матрицы фотодиодов с
барьером Шотки (ФДШ) (на схеме обозначено: УСбр - напряжение сброса; Кпит - напря-
жение питания; Ивых - выходное напряжение), на электроды которого для обеспечения
переноса заряда необходимо подавать три импульсные последовательности напряже-
ний — фаз.
Мультиплексор содержит вертикальные и один горизонтальный ПЗС-регистры
сдвига (фазы вертикальных регистров обозначены буквами Ф\, Ф2, Фз, горизонтального -
Фд, Ф$, Фе). Фотодиоды Шотки и накопительные ячейки мультиплексора расположены
вдоль вертикальных регистров сдвига. Накопительные ячейки образованы входным за-
твором Gi, электродом накопления G2 и выходным затвором G3. В процессе накоп-
9 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
Рис. 10.4. Фрагмент структурной схемы трехфазного
матричного ПЗС-мультиплексора
258 Глава 10. Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
пения при открытом входном за-
творе Gi фототок, генерируемый
фотодиодом, инжектируется в по-
тенциальную яму, образующуюся
под электродом накопления С2. По
завершении процесса накопления
затвор Gi закрывается и открывает-
ся выходной затвор G3, благодаря
чему накопленный заряд передает-
ся под электрод первой фазы вер-
тикального ПЗС-регистра сдвига.
После этого затвор G3 закрывается,
и на его электрод подается потен-
циал накопления - ячейка подго-
тавливается к накоплению заряда в
следующем кадре. Такая схема
ввода сигнала в регистр сдвига на-
зывается прямой инжекцией. В другой возможной схеме ввод сигнала осуществляется
путем модуляции затвора МОП-транзистора.
Вертикальные ПЗС-регистры сбрасывают зарядовые пакеты, соответствующие
строкам изображения, в горизонтальный, который переносит их к выходу мультиплек-
сора. Для считывания зарядовых пакетов на выходе используется обратносмещенный
диод Двых. Заряд для интегрирования передается на затвор МОП-транзистора, располо-
женного на одном кристалле с ПЗС и работающего в режиме истокового повторителя.
Напряжение на затворе транзистора должно быть сброшено до передачи следующего
зарядового пакета.
Шумы в ПЗС, проявляющиеся в форме флуктуаций числа носителей в зарядовых
пакетах, имеют ту же природу, что и шумы полевых МОП-транзисторов. К ним отно-
сятся 1/_/-шум, обусловленный захватом носителей поверхностными состояниями, а
также флуктуации числа термически генерированных носителей.
10.3.2. МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ С ПРЯМОЙ АДРЕСАЦИЕЙ И СКАНИРОВАНИЕМ
Такие мультиплексоры (рис. 10.5) получили распространение одновременно с нача-
лом широкого использования комплементарных структур «металл-окисел-полупро-
водник» (КМОП). До этого имели ограниченное применение мультиплексоры на поле-
вых МОП-транзисторах со схемами управления.
Цифровой код определяет уникальный адрес каждой ячейки, подключаемой к общей
шине, поэтому мультиплексоры такого типа нуждаются в нескольких входных адрес-
ных линиях, тем самым они обеспечивают доступ ко всем фоточувствительным эле-
ментам в произвольной последовательности.
10.4. Двойная коррелированная выборка
259
Ключевой МОП-
Произвольная адресация
01 02 03 0л
Элементапная —С7
ячейка
транзистор
0р ' 0с )_
Сканирование
Триггеры
Элементарная—ЕТ
ячейка
К затворам
ключевых
МОП-транзисторов
0Г
К затворам ключевых МОП-транзисторов
К видеоусилителю
Рис. 10.5. Мультиплексоры с прямой адресацией и сканированием
Элементарная
ячейка
Общая шина
в мультиплексора
Элементарн
ячейка
Для последовательного доступа к фоточувствительным элементам, расположенным
в одной строке или столбце, используется триггерная схема. Напряжение, подаваемое-
на линию сброса 0г, переводит первый триггер в состояние логической «I», инициируя
начало сканирования и подключение к общей шине первой ячейки. Тактирующее на-
пряжение синхронизации 0с в нормальной и инверсной полярности осуществляет пе-
редачу этого состояния к последующим триггерам, обеспечивая последовательное под-
ключение к шине остальных ячеек.
Сканирующий мультиплексор легко встраивается в схемы считывания и позволяет
генерировать другие импульсные последовательности, например напряжение сброса
ячеек или тактовое напряжение для схемы выборки и хранения. Благодаря этому тре-
буемое для подключения даже крупноформатных МПИ число линий входа-выхода не
превышает 10.
Сканирующие мультиплексоры могут обеспечивать частоты (скорости) свыше
10 МГц. Сам мультиплексор не создает шум, потому что ключевые транзисторы или
полностью открыты, или полностью закрыты. Однако при проектировании схемы счи-
тывания должны учитываться АТС-шум шины и шумы буферных усилителей.
10.4. ДВОЙНАЯ КОРРЕЛИРОВАННАЯ ВЫБОРКА
Для борьбы с дрейфом и 1//:шумом, обычно являющимися основными источниками
шумов предусилителя, в электронном тракте ИКС часто используют двойную коррели-
9‘
260
Глава 10. Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
Рис. 10.6. Схема, реализующая процесс двойной
коррелированной выборки
рованную выборку сигнала с каждой ячейки схемы считывания: первый раз в начале кад-
ра, второй - в конце, и последующее определение разности этих сигналов для сведения к
нулю напряжения на выходе предусилителя в начале цикла накопления сигналов.
Выходной сигнал предусилителя (рис. 10.6) поступает на конденсатор схемы фиксации
уровня в начале накопления фотонов. Совместное функционирование транзисторного пе-
реключателя фиксации уровня и
конденсатора приводит к вычита-
нию любого начального напряже-
ния, например смещения или дрей-
фа, из выходного сигнала. Значение
накопленного сигнала не изменяет-
ся, поскольку начальная выборка
производится до того, как на кон-
денсаторе накопился значительный
фотонный заряд.
Схема, осуществляющая двой-
ную коррелированную выборку,
может быть конструктивно реали-
зована как в чипе ФПУ (в составе
схемы считывания), так и за его
пределами - в отдельном блоке
цифрового процессора.
Уменьшая или вообще устраняя шум на низких частотах, двойная коррелированная
выборка приводит к его усилению на высоких. Это объясняется тем, что время разнесе-
ния выборок мало, в этом интервале дрейф и разброс моментов срабатывания ключей
можно считать постоянными, высокочастотные некоррелированные составляющие шу-
ма - складывающимися квадратически, т.е. мощность этих составляющих удваивается.
10.5. КОРРЕКЦИЯ НЕОДНОРОДНОСТИ ПАРАМЕТРОВ МПИ
Для всех типов матричных многоэлементных приемников важное значение имеет
уровень геометрического шума, описывающий инвариантную по времени пространст-
венную неоднородность параметров чувствительных элементов (см. § 7.3). Обычно ис-
точником геометрического шума служит разброс параметров отдельных элементов
МПИ и ФПУ (чувствительности, 1//:шума, коэффициентов усиления предусилителей и
др.), а также нелинейность их характеристик преобразования.
Нелинейности характеристик преобразования обусловлены рядом причин:
- нелинейным характером энергетических и фоновых характеристик приемников из-
лучения - зависимостей их чувствительности от потока (или облученности), создаваемо-
го наблюдаемым объектом или фоном и попадающего на приемник; для большинства
приемников это имеет место при достаточно большом потоке или облученности;
10.5. Коррекция неоднородности параметров МПИ
261
- зависимостью чувствительности (квантовой эффективности) приемника от длины
волны излучения, попадающего на чувствительный слой, и связанным с ней изменени-
ем энергетических и фоновых характеристик приемника;
- селективным характером пропускания оптической системы ИКС, что также при-
водит к изменению вида энергетических и фоновых характеристик приемника;
- изменением температуры охлаждения приемника в процессе его работы, если это
изменяет вид его спектральной характеристики;
- нелинейностью преобразований сигналов в электронном тракте, и прежде всего в
схеме считывания, предварительного усиления и аналого-цифрового преобразования.
В зависимости от типа МПИ и ФПУ и условий их работы те или иные из перечис-
ленных факторов могут быть преобладающими.
Для уменьшения геометрического шума перед началом или в процессе работы прак-
тически любой ИКС производится ее калибровка и корректировка неоднородности, це-
лью которых является получение с каждого пиксела ФПУ сигнала одного и того же
уровня (при условии их равномерной облученности). При этом важно учитывать изме-
нение облученности по угловому полю 2со объектива из-за виньетирования, например
по закону cos4co (см. § 6.1).
Методы коррекции неоднородности, в том числе и проистекающей из-за нелинейно-
стей, разделяют на детерминированные и стохастические, с использованием эталона и
без него, дискретно-аналоговые и аналого-цифровые. Детерминированные методы
представляют геометрический шум детерминированным во времени, т.е. пространст-
венное распределение неоднородности считается постоянным. Стохастические методы
основаны на представлении геометрического шума случайным процессом как во вре-
мени, так и в пространстве. Коррекция неоднородности может производиться в анало-
говой форме, т.е. до преобразования аналоговых сигналов к цифровому виду. После та-
кого преобразования ведется окончательная коррекция, диапазон которой у большин-
ства современных устройств составляет 8... 12 бит.
Все эти требования должны быть аппаратурно реализованы в реальном масштабе
времени.
К основным этапам коррекции неоднородности относятся:
- вычисление отклонений средних значений сигналов ИС|- ср, снимаемых с отдельных
пикселов при выбранной температуре черного тела Тт, от усредненного значения 1^(7^);
- вычисление корректирующей поправки в соответствии с принятым способом кор-
рекции (коррекция смещением, линейная, квадратичная, кубическая коррекция);
- ввод корректирующей поправки путем изменения напряжений смещения или ко-
эффициентов усиления сигналов, снимаемых с отдельных элементов ФПУ;
- коррекция системы записи или отображения сигналов.
Различным методам коррекции посвящено большое число публикаций [2, 124, 131,
142, 175, 228, 248]. Рассмотрим некоторые из них, получившие наибольшее распро-
странение на практике.
Простейшим способом коррекции является одноточечная, когда для какой-то вы-
бранной температуры черного тела, равномерно облучающего МПИ, определяются от-
262 Глава 10. Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
клонения сигналов, снимаемых с отдельных пикселов ФПУ и далее выравниваемых пу-
тем изменения напряжений смещений в цепях отдельных чувствительных элементов.
Если же сигналы, снимаемые с пикселов, усиливаются, то для коррекции неоднородно-
сти можно изменять коэффициенты усиления в ячейках ФПУ. Коррекция неоднородно-
сти оказывается лучшей при двухточечной схеме, когда отклонения сигналов, снимае-
мых с отдельных пикселов, от их среднего значения определяются для двух значений
температуры черного тела, используемого при калибровке.
Рис. 10.7. Зависимости сигналов, снимаемых с двух произвольно выбранных пикселов ФПУ
(1 и 2), от облученности Ее или температуры черного тела Тт равномерно облучающего МПИ,
до (а) и после (б) двухточечной коррекции
Зависимости сигналов Усд на выходе двух произвольно выбранных элементов ФПУ
от сигнала, поступающего на вход ФПУ, показаны на рис. 10.7,а. Обычно такой сигнал
описывают температурой черного тела, равномерно облучающего МПИ, или облучен-
ностью чувствительного слоя Ее.
Если бы зависимости Vcy = /(А) были линейными, то, изменяя напряжение смеще-
ния VCM и крутизну этих зависимостей (коэффициенты усиления Ку), можно было бы
полностью совместить их, т.е. добиться идеальной однородности. Однако на практике
это никогда не удается и приходится совмещать такие зависимости в одной или двух
(см. рис 10.7,6) точках и очень редко - в большем их числе. Очевидно, что из-за нели-
нейности зависимостей Vcy = f(Ee) полностью устранить неоднородность не удается; ее
можно только частично компенсировать.
Если при каком-то уровне входного сигнала (при какой-то температуре черного те-
ла, равномерно облучающего МПИ) амплитуда сигнала (напряжения), снимаемого с ij-
го пиксела ФПУ, равна Vcy, то отклонение ДИсг; от среднего по всем пикселам значения
ср равно
Д ИС(у — Рсу — VtfJ ср ,
а его среднее квадратическое значение можно представить в виде ряда
10.5. Коррекция неоднородности параметров МПИ 263
SCij — оу + byVcy ср + Су V Су Ср + ...,
где постоянные а, Ь, с описывают параметры схемы включения пиксела (напряжение
смещения Исм, коэффициент усиления Ку и др.), определяемые и запоминаемые для ка-
ждого пиксела.
После коррекции сигналы устанавливаются равными VCy ср+ ЛКс,/к , где поправки
представляют собой разности ДУсук = LVcji - Ъсу.
Для произвольного значения температуры черного тела, равномерно облучающего
МПИ, после коррекции путем изменения смещения напряжение на выходе zj-ro пиксела
будет равно
Усук КСу—
при линейной коррекции
при квадратичной коррекции
v + \^КаУ V^-V^
сук 2с V 4с с
Из анализа этих выражений можно сделать ряд важных выводов [248]. Так, для ли-
нейной коррекции коэффициент усиления Ку должен быть малым («1). При Ку = -1
1/(1 + Ку) —> оо, т.е. такой пиксел не реагирует на облучение и является заведомо де-
фектным.
При коррекции стремятся свести уровень геометрического (пространственного) шу-
ма до уровня временного или меньше. Показатель степени или качества коррекции Ск
представляет собой отношение средних квадратических значений геометрического и
временного шума:
Ск О щр/ СУ щв .
Как функцию времени этот показатель можно использовать и для оценки стабиль-
ности проведенной коррекции. Уже отмечалось, что при линейной двухточечной схеме
нелинейность характеристики преобразования приводит к невозможности обеспечить
высокое качество коррекции. Это присуще практически всем системам с фотонными
(селективными) приемниками излучения. Поэтому, например, в [175] предлагается
коррекция, использующая кубическое уравнение вида
V^afi+brf+cK + d,
где ai, bi, с^ d. — коэффициенты, определяемые изменениями для четырех значений по-
тока облучающего МПИ.
264
Глава 10. Обработка сигналов в программно-аппаратном блоке ИКС
При такой коррекции наиболее важным фактором, обуславливающим качество изо-
бражения, становится равномерность облученности, создаваемой объективом ИКС по
всему угловому полю.
Компенсация уменьшения облученности в изображении особо значима для крупно-
форматных ФПУ. Для этого достаточно увеличивать коэффициенты усиления пикселов
ФПУ по мере их удаления от центра углового поля, например по закону cos4, как это
делается в ряде разработок фирмы «Raytheon», предназначенных для астрономических
исследований и имеющих размеры чувствительного слоя 54x54 мм при формате ФПУ
2052x2052 пикселов.
Выбор способа коррекции и калибровки зависит от типа МПИ. Так, исследования
МПИ на базе PtSi, InSb и КРТ, проведенные авторами [131], показали, что для PtSi- и
InSb-МПИ геометрический шум меньше уровня временного, т.е. Ск < 1, можно обеспе-
чить при линейной, а для приемников на основе КРТ - при квадратичной коррекции.
Значения Ск < 1 сохраняются для приемников на базе PtSi в течение 25 ч, для приемни-
ков на базе InSb — в течение часа, а КРТ-МПИ — в течение 5 мин, что объясняется нали-
чием в структуре этих МПИ дефектных пикселов.
В системах с неселективными неохлаждаемыми МПИ, например с микроболомет-
рическими, коррекция неоднородности весьма специфична. Влияние изменений темпе-
ратуры окружающей среды в значительной степени уменьшается за счет мостиковой
схемы включения болометра, однако изменения токов смещения и температуры чувст-
вительного элемента из-за тока, протекающего через элемент, требуют проведения кор-
рекции в процессе работы ИКС (динамической коррекции). В [257] утверждается, что
сочетание обычной (статической) и динамической компенсации позволяет снизить
среднюю неоднородность до значений, меньших 1/250 000, что сравнимо с эквивалент-
ным шумовым напряжением - шумом Джонсона при полосе частот 1 кГц.
В ряде случаев, например, когда причина неоднородности лежит в изменении струк-
туры фоточувствительного материала, можно использовать оптический фильтр, «уко-
рачивающий» спектральную характеристику приемника, т.е. уменьшающий ее длинно-
волновый диапазон сверху.
Расчеты показывают, что для приемников на базе Hg!_xCdxTe при емкости заряда в
24О7 электрон идентичность (равенство) АГП, определяемых собственными («времен-
ными») шумами элементов и геометрическим шумом, достигается при разбросе
Ах = ±0,0006 для спектральных диапазонов 3...5,1 и 8...10,6 мкм. Если же применить
оптические фильтры с граничными длинами волн в 4,7 и 9,6 мкм, то указанное условие
для АТ’п, т.е. Ск = 1, выполняется при намного меньшем допуске - Ах = ± 0,001 и даже
до ± 0,003.
Некоторое уменьшение уровня сигнала при вводе фильтра можно компенсировать
относительно небольшим увеличением времени его накопления, т.е. уменьшением по-
лосы частот.
В [249] описывается метод адаптивной коррекции неоднородности, устраняющий
необходимость постоянного изменения коэффициентов коррекции. Непрерывная ком-
пенсация неоднородности применяется адаптивно для каждого пиксела ФПУ и для
10.5. Коррекция неоднородности параметров МПИ
265
температуры фона, изменяющейся в
достаточно большом диапазоне пу-
тем одновременного обновления ко-
эффициента усиления и напряжения
смещения. Упрощенная схема реа-
лизации этого метода приведена на
рис. 10.8.
Требуемое для коррекции значе-
ние поправки определяется путем
сравнения сигнала, снимаемого с
пиксела, с сигналами соседних пик-
селов. Итерационный алгоритм, в
процессе которого медленно (в тече-
ние нескольких сотен и даже тысяч
времен кадров) оптимизируются ко-
Рис. 10.8. Структурная схема блока коррекции
неоднородности параметров МПИ
эффициенты усиления и напряжения смещения, основан на минимизации по методу
наискорейшего спуска, применяемому в системах технического зрения. Интерполяция
для определения 5 представляет собой пространственную свертку, которая позволяет
сравнивать сигнал каждого пиксела с сигналами его соседей. Процесс обновления ко-
эффициентов усиления Кус и напряжений смещения Усм описывается уравнениями
/Суся = /Суся_/-2а1ИЖ-5).
Гсм„=Гсм„_7-2акнДУ-8),
где коэффициент акн определяет размер шага коррекции и скорость сходимости, причем
он должен выбираться достаточно малым, чтобы обеспечить устойчивость алгоритма.
Глава 11
СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
11.1. НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ЗРИТЕЛЬНОГО
АППАРАТА ЧЕЛОВЕКА
Системы отображения информации (СОИ), предназначенные для преобразования
электронных сигналов в оптическое изображение видимого диапазона, должны обеспе-
чить эффективное решение задач (обнаружение, распознавание, классификация, иден-
тификация, пеленгация и др.), стоящих перед ИКС. К СОИ относятся разнообразные
дисплеи, мониторы, электролюминесцентные и светодиодные панели, телевизионные
системы, часто называемые индикаторными устройствами или просто индикаторами,
проекторы. Параметры и характеристики СОИ как одного из звеньев ИКС очень важно
согласовать с параметрами и характеристиками предыдущих звеньев системы, прежде
всего приемника излучения и электронного тракта, а также зрительного аппарата чело-
века-наблюдателя или оператора. Системы отображения часто должны строить изо-
бражения реальной и виртуальной окружающей обстановки, а также обеспечивать
комфортные условия работы наблюдателя.
Следует отметить, что несмотря на давние разносторонние исследования и много-
численные модели зрительного аппарата человека до настоящего времени до конца не
выяснены природа и характер многих процессов приема и обработки оптических сиг-
налов (изображений), определяющих возможности обнаружения, различения и распо-
знавания зрительных образов. Тем не менее основные устоявшиеся представления о
зрении человека и существующие его модели позволяют достаточно четко и конкретно
сформулировать требования к СОИ ИКС.
При выборе СОИ необходимо учитывать особенности работы конкретной ИКС и
свойства зрительного аппарата человека: условия освещенности (дневные или ночные),
окружающие условия эксплуатации (температура, влажность, вибрации, запыленность и
т.д.), разделение углового поля глаза на разные по чувствительности и разрешению зоны,
инерционность зрительного аппарата и его свойство адаптации к условиям наблюдения,
влияние цветности изображения на работу зрительного аппарата, и ряд других.
Вопросы согласования СОИ и зрительного аппарата человека весьма всесторонне
отражены в [35-37, 49 и др.]. Кратко изложим некоторые из них, а также сведения, со-
держащиеся в других многочисленных публикациях.
11.1. Некоторые свойства зрительного аппарата
267
Глаз человека - уникальная система, обладающая, например, такими свойствами,
как адаптация к условиям работы и аккомодация. Максимум спектральной чувстви-
тельности глаза в условиях дневного освещения наблюдается при длине волны 0,55 мкм,
а ночью - при 0,505 мкм (см. рис. 2.1). Угловое поле глаза (поле зрения) обычно разби-
вается на три зоны: центрального зрения (около 4°), ясного видения (30...35°), в преде-
лах которой возможно четкое распознавание большинства реальных объектов, и пери-
ферийного зрения (до 75...90°), в которой объекты только обнаруживаются. Макси-
мальное пространственное разрешение (острота зрения) относится к центральной ямке
желтого пятна сетчатки, отстоящей примерно на 10° от оптической оси глаза. Это раз-
решение зависит от яркости поля обзора, характера объектов, их контраста по отноше-
нию к фону, на котором они наблюдаются. Увеличение средней яркости £ср поля обзора
приводит к уменьшению этого разрешения. Так, при Zcp = 0,17 кд-м-2 разрешающая
способность равна 1,4 угл. мин, а при Zcp = 18 кд-м-2 она снижается до 0,58 угл. мин.
Разрешение снижается и при уменьшении контраста. Так, при наблюдении черных то-
чек на белом поле, т.е. при контрасте 100%, и средней яркости поля Zcp = 1 кд-м-2 раз-
решение составляет около 1 угл. мин, а при уменьшении контраста до 10% оно снижа-
ется до 6,3 угл. мин. Предельное разрешение среднего глаза с фокусным расстоянием
19...27 мм составляет 1 угл. мин для расстояния наилучшего зрения (около 250 мм).
Пространственно-частотные характеристики глаза зависят от пространственно-
частотных характеристик зрачка, сетчатки, а также тремора - колебательного движе-
ния оптической оси глаза. Характер зависимости порогового контраста глаза
= [(i06 - АЖоб + -Ц>)]т1п, определяемого для малых разностей яркостей объекта и
фона, от яркости фона £ф очевиден из рис. 11.1 ,а, а от пространственной частоты fx - из
рис. 11.1 ,б. В зависимости от характера спектра шума, имеющего место в системе, вид
кривой, представленной на рис. 11.1 ,б, может меняться. При преобладании низкочас-
тотных шумов левая ее часть лежит выше, чем на рисунке; при преобладании высоко-
частотных шумов выше минимума поднимается ее правая часть. Очевидно, что глаз
наиболее чувствителен к периодическим структурам с пространственными частотами
от 3 до 7 град-1.
Пороговый, т.е. предельно различаемый глазом, контраст зависит от времени на-
блюдения. С ростом требований к различению объектов, т.е. к уменьшению Кп, время
их наблюдения должно возрастать (см.§4.5). На рис. 11.1,в приведена зависимость по-
рогового контраста от яркости фона £ф для разных времен наблюдения объекта td с
видимым размером 4 угл. мин [143].
В интервале яркостей поля обзора, например экрана индикатора, от 1 до 40 кд-м-2
инерционность зрения оценивается постоянной времени глаза (зрительного аппарата)
порядка 0,05...0,2 с. Критическая частота мельканий, на которую еще реагирует глаз
человека, также зависит от яркости и изменяется в диапазоне 10...50 Гц.
Информационные свойства зрительного аппарата характеризуются предельным ко-
личеством информации, воспроизводимой сетчаткой глаза (около 2,2-106 бит). Сетчатка
глаза способна пропустить 4,4-107 бит-с-1, однако пропускная способность зрительного
аппарата в целом близка к 72 бит-с-1.
268
Глава 11. Системы отображения информации
£ф, кг-м’
0,01 0,1 1 10 100 1000
£ф, кд-м'2
в)
f„ период/градус
б)
Рис. 11.1. Зависимости порогового контраста Кп от
яркости фона £ф для различных угловых размеров
объекта А при времени наблюдения 0,1 с (а) и
различных временах наблюдения td объекта с
видимым угловым размером 4 угл.мин (в) [138],
а также от пространственной частоты fx (б) [144]
Для обоснования требований к однородно-
сти яркости отдельных элементов индикатора
важно учитывать, что при разбросе яркости
свечения до 20% среднего значения вероят-
ность распознавания практически не снижает-
ся, однако больший разброс не допустим.
Цветовая гамма изображений влияет на
работу глаза. Так, инерционность зрения
велика для красного цвета, являющегося
наилучшим по достоверности распознава-
ния движущихся объектов. Однако крас-
ный цвет (А, = 0,66 мкм) создает больший
дискомфорт для наблюдателя, нежели, например, зеленый или желтый. Для одноцвет-
ных экранов СОИ оптимален желто-оранжевый цвет. При использовании двух- или
многоцветной системы отображения и системы окрашивания получаемых после элек-
тронного тракта изображений можно наблюдать красные изображения объектов на
черно-белом или желто-зеленом фоне.
При наблюдении изображений с экрана индикаторов с помощью окуляра необ-
ходимо согласовывать размеры его выходного зрачка с диаметром зрачка глаза, за-
11.1. Некоторые свойства зрительного аппарата 269
висящим от яркости наблюдаемого поля (от 3 мм при £ср = 100 кд-м-2 до 6 мм при
ZCp = 1 кд-м“2).
При разработке и выборе СОИ важно учитывать явления конвергенции и аккомо-
дации, присущие зрительному аппарату человека, а также возможность в процессе
работы изменять положение головы, т.е. расстояние от глаза до экрана и угловое по-
ложение линии визирования. В процессе наблюдения перемещение головы наблюда-
теля относительно экрана дисплея позволяет лучше различать либо мелкие детали
изображения, либо крупные. Расстояние наилучшего зрения (различения) изменяется,
при этом достигается наименьший пороговый контраст (см. рис. 11.1,а). Для ком-
фортных условий наблюдения в лаборатории глаза наблюдателя не должны отстоять
от экрана на расстояние, большее 4...8 размеров разглядываемого объекта по высоте.
При этом, как указано в [142], минимальная разрешаемая разность температур ДТР
асимптотически приближается к (0,3...0,7) ДТ^.
Расстояния наилучшего зрения зависят от пространственной частоты периодическо-
го объекта, наблюдаемого в угловом поле 30 мрад на экране дисплея размеров 35,5 мм:
Пространственная частота, период/мм Расстояние наилучшего зрения, см
0,5 409... 1397
1,0 204...695
2 100...348
4 49... 174
6 34...116
8 24...88
10 21...67
Условия наблюдения всего экрана дисплея (монитора) наиболее комфортабельны,
если расстояние до экрана в 4,7.. .9,3 раза больше его размера.
Явление конвергенции, состоящее в повороте оптических осей глаз на удаленный от на-
блюдателя объект, позволяет воспринимать глубину изображаемого пространства, т.е.
обеспечивает стереоскопическое зрение. Оно тесно связано с аккомодацией, состоящей в
перефокусировке глаза на объекты, различно удаленные от наблюдателя. Поскольку изо-
бражение на дисплее (экране) является двумерным (плоским), для передачи глубины про-
странства требуются специальные оптические системы или устройства. В простейшем
случае возможно перемещение в реальном масштабе времени вдоль линии визирования
экранов, на которых формируются два изображения, с учетом бинокулярного параллакса
зрительного аппарата. Кроме того, можно использовать зеркальную оптическую систему
с переменным фокусным расстоянием или электрически управляемый жидкокристалли-
ческий элемент. Последнее повышает надежность системы, уменьшает габариты, массу и
потребляемую мощность.
270 Глава 11. Системы отображения информации
11.2. ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ
К наиболее важным параметрам систем отображения относятся:
- форма и размеры экрана, угол его наблюдения, угловой размер;
- контрастное отношение и его зависимость от углового разрешения, цвета свече-
ния, окружающего освещения и угла наблюдения экрана;
- разрешающая способность экрана, определяемая размерами дисплея, числом эле-
ментов разложения, их размерами и плотностью расположения;
- однородность качества изображения по всему экрану;
- скорость отклика или полной смены изображения, частота кадров;
- число уровней серого;
- цветовая гамма;
- максимальная яркость и яркость на единицу потребляемой мощности;
- диапазон температур эксплуатации и хранения;
- масса и габаритные размеры;
- энергопотребление, рабочее напряжение и ток.
Для проекционных СОИ, модулирующих или отражающих проходящий свет, важны
также параметры источника света.
Общее число градаций яркости, различаемых глазом в изображении на экране, мож-
но определить [36] как
п
£ Ig(l-K) ’
где Ln™ - минимальная яркость, соответствующая «уровню черного» изображения на
экране; L$ - яркость внешней - фоновой - засветки, соответствующей яркости адапта-
ции глаза; £эср- средняя яркость экрана; Кп - пороговый контраст конкретного типа эк-
рана для заданного уровня яркости фона, зависящий от цвета экрана, что необходимо
учитывать, так как от него зависит и острота зрения глаза.
Очень важно учитывать нелинейный характер зависимости между яркостью свече-
ния многих экранов, например жидкокристаллических, и амплитудой возбуждающего
это свечение напряжения, т.е. амплитудой видеосигнала. Коррекция этой нелинейности
(гамма-коррекция) обычно осуществляется в электронном тракте ИКС после восста-
новления (реконструкции) аналоговой формы видеосигнала.
Разрешающая способность матричных экранов характеризуется размером экрана и
его форматом, т.е. числом строк и столбцов отдельных элементов разложения изобра-
жения (пикселов). Формат дисплея должен соответствовать формату МПИ, что обу-
славливает ряд требований к электронному тракту ИКС, преобразующему электронный
сигнал с выхода МПИ в изображение на экране. Выбор дискретности экрана и размеров
его пикселов зависит от условий наблюдения, в частности от расстояния между глазом
наблюдателя и экраном.
11.3. Основные типы систем отображения
271
Часто экраны СОИ характеризуют параметром «четкость», определяя им возмож-
ность извлекать информацию из высококонтрастного изображения в отсутствие шумов.
Четкость G4 изображения нелинейно связана с числом элементов разложения N3:
Сч=С1э1п^ + С2э,
где С1Э и Сзэ - постоянные для конкретного типа экрана.
Иногда принимают
G4 =1п^/1п^пвх =1П(ЯХ)/1п(Яэ5э21гах),
где М щах - максимальное число элементов разложения при идеальной четкости; Нэ -
формат экрана; 5Э - число строк экрана; 5Э П1ах - максимальное число строк, соответст-
вующее N3max.
Если необходимо получить качественное изображение без заметной дискретной
структуры экрана, то следует обеспечить превышение размера элемента разрешения в
линейной или угловой мере над соответствующим периодом отдельных пикселов экра-
на. Исходя из этого и выбирается число строк Расстояние до экрана определяется
функциональным назначением конкретной СОИ.
11.3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ
Системы отображения информации могут быть двух типов: излучательные и мо-
дулирующие проходящий или отраженный свет, создаваемый специальным источни-
ком. По конструктивному принципу различают электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и
плоскопанельные дисплеи (ППД). Иногда СОИ классифицируют по размеру экранов,
выделяя отдельной строкой проекционные системы с большими экранами на дис-
кретных элементах (лазерных диодах, газоразрядных индикаторах и панелях, малога-
баритных ЭЛТ).
По физическому принципу работы различают излучательные дисплеи на основе ка-
тодолюминесценции, электролюминесценции, газоразрядные панели, светодиодные
дисплеи, а также модулирующие проходящий или отраженный свет - жидкокристал-
лические, электрохромные. электрофоретические. Рассмотрим особенности дисплеев,
наиболее употребительных в СОИ ИКС.
11.3.1. ДИСПЛЕИ НА КАТОДНО-ЛУЧЕВЫХ ТРУБКАХ
В дисплеях на основе катодолюминесценции используются вакуумные ЭЛТ, в кото-
рых электронный пучок сканирует фосфоресцирующий экран, а также полевая эмис-
сия. В последних катод представляет собой матрицу, управляемую по строкам и столб-
цам и являющуюся аналогом транзисторной матрицы.
272 Глава 11. Системы отображения информации
Изображение, получаемое в современных катодно-лучевых трубках, вполне удовле-
творяет требованиям зрительного аппарата человека с точки зрения разрешения, цвето-
вой гаммы, быстродействия и других параметров и характеристик.
Современные вакуумные ЭЛТ по ряду технико-экономических параметров до сих
пор превосходят остальные системы отображения, хотя и обладают существенными
недостатками - увеличенными поперечными размерами, составляющими даже в луч-
ших образцах около половины размера экрана по диагонали, а также высокими (до де-
сятков киловольт) управляющими напряжениями.
Дисплеи на ЭЛТ позволяют отображать на экране не только поле обзора ИКС, но и
специальные символы (дату и время, прицельные марки, указатели, информацию о
дальности до наблюдаемых объектов и др.). Размеры и фотометрические свойства та-
ких экранов допускают более свободное взаимное расположение наблюдателя и систе-
мы отображения, чем, например, при использовании светодиодных (СВ) дисплеев, час-
то требующих «жесткой» привязки наблюдателя к окуляру, через который наблюдается
экран. Сигнал на выходе ЭЛТ, как правило, совместим с телевизионным стандартом, в
соответствии с которым число строк в кадре должно быть не менее 256, частота кадров -
не менее 25 Гц, размер изображения по диагонали - не менее 35 мм, разрешение в цен-
тре - не менее 400 строк и на краю - не менее 300 строк. Строчный сигнал обычно име-
ет частоту не менее 50 Гц, а число строк на экране ЭЛТ составляет не менее 300.„500
(часть строк используется для вывода служебной информации).
Используя ЭЛТ при разрешении не менее 400 лин./кадр, можно реализовать бино-
кулярный метод наблюдения зрительным аппаратом человека. Однако, если размер эк-
рана уменьшается и условия его наблюдения ухудшаются, систему необходимо допол-
нять окуляром (или окулярами для каждого из глаз).
В [37] приводится таблица сочетаний параметров цветности при различных ярко-
стях свечения экранов ЭЛТ, приравненных к яркости фона окружающей среды, при
которых обеспечивается достаточная вероятность обнаружения и распознавания ин-
формации.
Примером отечественной разработки системы отображения на ЭЛТ (типа 11ЛК1Б)
может служить система, характеризуемая следующими значениями параметров:
• размер экрана 68x83 мм;
• максимальная яркость свечения экрана не менее 100 кд/м2;
• число строк в полном кадре 577.
В ИКС с таким индикатором на экране в качестве марки высвечивается точка, мер-
цающая с частотой 0,5.„2 Гц. В системе имеется возможность электронного масштаби-
рования изображения, что позволяет изменять ширину строки для оптимизации ее на-
блюдения человеком. Большая яркость экрана позволяет использовать аппарат дневно-
го зрения наблюдателя, который обладает лучшим разрешением и чувствительностью,
чем аппарат ночного зрения. Кроме того, повышение яркости экрана уменьшает влия-
ние мелькания изображения.
В табл. 11.1 приведены параметры миниатюрных ЭЛТ, используемых в проекцион-
ных и нашлемных СОИ [138]. Все трубки снабжены плоской волоконно-оптической
11.3. Основные типы систем отображения
273
шайбой; цвет свечения их экрана — зелено-желтый (540...560 мкм) с максимумом на
длине волны 545 мкм; среднее время послесвечения 6,7 мс.
Параметры типовых миниатюрных ЭЛТ
Таблица 11.1
Обозначение, дюймы 1 3Z> '/2
Диаметр экрана, мм 19 17,5 11,5
Напряжение на аноде, кВ 13 12 8,5
Максимальная яркость свечения, кд м~2: по всему растру по строке 10 280 17 130 5 140 34 260 5 140 17 130
Ширина линии растра, мкм 20 30 25
Расстояние между строками, мкм 25 30 30
Масса, включая контактные ножки, г 75 60 45
Размер (длинахдиаметр), мм 104x26,5 90x22,5 75x16,5
Таблица 11.2
Параметры некоторых полноцветных дисплеев на основе полевой эмиссии
Параметры Фирма-изготовитель
«LET!» (Франция) «Futaba» (Япония)
Частота кадров Телевизионный стандарт —
Контраст >60 —
Число уровней серого >128 —
Световая эффективность, лм/Вт 1 —
Максимальная яркость в белом цвете, кд/м2 60 —
Формат (число пикселов) 256x256 320x240
Шаг пиксела, мкм: по строке по столбцу 350 450 310
Размер, мм 150 (по диагонали) 114,3x91,4x2,4
Время жизни, ч >25 000 >6 000
Напряжение на затворе, В 87 100
Напряжение на аноде, В 260 200
Энергопотребление экрана, Вт — 0,5
Неоднородность свечения пикселов, % <4 <10
274
Глава 11. Системы отображения информации
В качестве еще одного примера можно привести параметры одной из таких трубок,
описанной в [6]:
• зеленый цвет свечения;
• яркость 2000 кд/м2;
• формат 700 ТВЛ;
• размер экрана по диагонали 15 и 28 мм;
• масса собственно ЭЛТ (с размером экрана по диагонали 15 мм) 6 г;
• масса всей СОИ (ЭЛТ, отклоняющая и фокусирующая катушки, патрон) 25 г;
• энергопотребление 1,1 Вт (для 15 мм-экрана) и 3 Вт (для 38 мм-экрана).
Перспективная конструкция плоскопараллельного дисплея представляет собой
сверхтонкую катодолюминесцентную трубку, состоящую из матрицы микроскопиче-
ских электронных пушек, расположенных с высокой плотностью, и низко- или средне-
вольтового катодолюминесцентного экрана-анода.
Достоинствами дисплеев на полевой эмиссии являются высокая эффективность пре-
образования электрической энергии в световую, малая инерционность (время отклика
близко к 1 мкс), большой угол наблюдения, возможность получения широкого диапа-
зона уровней серого и большой цветовой гаммы, большой диапазон рабочих темпера-
тур. Характеристики двух зарубежных дисплеев на основе полевой эмиссии приведены
в табл. 11.2 [6].
11.3.2. ВАКУУМНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ДИСПЛЕИ
Вакуумно-люминесцентные дисплеи (ВЛД) используют люминофоры, способные
светиться под действием пучка электронов с энергией в несколько электрон-вольт при
напряжениях между катодом прямого накала и анодом-экраном порядка десятков и со-
тен вольт. Эти дисплеи имеют большую яркость свечения (до нескольких сотен кандел
на 1 м2) и большой срок службы (до 30 тыс. ч). Они могут работать в диапазоне темпе-
ратур от -4О...+7О°С при влажности до 80%. Потребляемая ими мощность достигает
24...30 Вт при напряжении на аноде 25 В, напряжении накала до 3 В и плотности тока
3...5 мА/см2. Существенным недостатком их является неоднородность яркости по экра-
ну, достигающая 30...60%. Сравнительно малый выбор люминофоров обуславливает
ограниченную цветовую гамму: сине-зеленую, красно-зеленую, красно-зелено-синюю.
Вакуумно-флюоресцентные дисплеи в виде многомодульных экранов яркостью до
5000 кд/м2 и площадью до 100 м2 разработаны в НИИ «Волга» (Саратов). Там же созда-
ны монохромные и цветные мониторы с размерами по диагонали 203 и 356 мм, управ-
ляемые напряжением 35 В.
11.3. Основные типы систем отображения
275
11.3.3. ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ДИСПЛЕИ
Среди электролюминесцентных дисплеев наиболее распространены тонкопленоч-
ные излучатели, светодиоды (СД) на основе неорганических люминофоров и органиче-
ские светодиоды.
Тонкопленочные электролюминесцентные дисплеи представляют собой многослой-
ные структуры, включающие прозрачный слой люминофора, на который с двух сторон
наносятся сначала диэлектрик, затем электроды и ряд других слоев, включая стеклян-
ные подложки и светофильтры. Электролюминесценция происходит при напряженно-
сти электрического поля, близкой к пробивной. Общая толщина дисплея составляет не-
сколько миллиметров. Такие дисплеи, обладая собственным свечением, не требуют фо-
новой подсветки. Их контраст слабо зависит от внешней освещенности. Однако у них
сравнительно велико энергопотребление и затруднено получение достаточно большого
числа градаций серого и полной цветовой гаммы. Максимальные размеры и форматы
этих дисплеев ограничены энергетическими возможностями схемы управления. Поэто-
му для получения большого числа строк (до 1000) используют совмещение двух дис-
плеев. Как пример можно указать на разработку тонкопленочного дисплея фирмы
«Matsusita» (Япония) общим размером 208x51 мм2 с числом элементов разрешения
256x1088, их шагом 0,2 мм и яркостью свечения 100 кд/м2 при управляющем напряже-
нии 100 В. К этой же группе относятся графические монохромные электролюминес-
центные дисплеи, используемые в фотоаппаратуре, принтерах, нашлемных СОИ. Раз-
меры их невелики (обычно несколько сантиметров), яркость также невысока, питающее
напряжение достигает 200 В.
В табл. 11.3 приведены параметры трех типовых электролюминесцентных дисплеев
[6], используемых главным образом в мониторах ЭВМ.
Таблица 11.3
Параметры электролюминесцентных дисплеев
Параметры Фирма-производитель
«Planar» (США) НПО «Платан» (Россия)
Частота кадров, Гц 180 — 100
Контраст крупных деталей 30:1 20:1 —
Яркость, кд/м2 21 (белый) 71 (красный) 23 (белый) 30 (зеленый) 80 (желто-оранжевый)
Формат (число пикселов) 512x512 640x480 320x240
Размеры дисплея, мм — 170x140x18
Температурный диапазон, °C — -25...+65 -10...+55
Минимальный срок службы, ч — >30000 1000
Потребляемая мощность, Вт — 10 —
Цветность свечения (число цветов) 16 8 Желто-оранжевый и зеленый
276 Глава 11. Системы отображения информации
11.3.4. СВЕТОДИОДНЫЕ ДИСПЛЕИ
Контраст изображения и разрешающую способность светодиодных дисплеев можно
оптимизировать за счет надлежащего выбора излучающей площадки светодиода (СД),
ее яркости, цветности, а также параметров окуляра, через который рассматривается СД-
дисплей. Обычно стремятся сделать так, чтобы размеры площадки СД и кружка рас-
сеяния окуляра были в 2...3 раза меньше размера элемента изображения объекта, тре-
буемого для обнаружения или распознавания последнего. Из-за достаточно больших
размеров светящихся площадок СД часто трудно обеспечить оптимальную угловую
ширину строки изображения (0,3...0,9 мрад). Для этого иногда приходится уменьшать
угловое поле ИКС, увеличивая фокусное расстояние объектива системы. Яркость све-
чения элемента изображения должна быть порядка 5 кд/м2, что позволяет использовать
аппарат дневного зрения человека.
Установлено, что при видимом увеличении оптической системы ИКС порядка 10
СД-дисплеи обеспечивают приближение к оптимальным по разрешению условиям ра-
боты наблюдателя. Размеры излучающих площадок современных отечественных све-
тодиодов, применяемых в системах отображения, колеблются от 20x20 до 30x30 мкм
при шаге их расположения в линейке или матрице 50...200 мкм. Яркость свечения эле-
ментов составляет (1...40)-103 кд/м2 для СД красного свечения и (1...5)-103 кд/м2 для СД
с зеленым цветом свечения. Скорость отклика СД-дисплеев высока, так как время на-
растания яркости СД не превышает десятков наносекунд.
Светодиодные панели используются для создания табло и экранов высокого разре-
шения (до 2000x2000 элементов), имеющих большие размеры (до нескольких метров).
Их яркость достигает нескольких тысяч кандел на 1 м2.
Дисплеи на базе органических светодиодов обеспечивают яркость до 50 000...
75 000кд/м2 при световой эффективности порядка 4 лм/Вт. Они имеют низкое рабочее
напряжение (до 4 В) и малую потребляемую мощность. Так, отечественные полимер-
ные светодиодные панели обладают плотностью мощности рассеяния 0,217 Вт/см2 при
напряжении 5 В, токе 2,6 мА и яркости свечения 1900 кд/м2.
11.3.5. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПАНЕЛИ
Достоинствами газоразрядных (плазменно-дисплейных) панелей являются высокая
яркость (до нескольких сотен кандел на 1 м2), очень широкий угол наблюдения (до
160°), большие размеры экрана, а недостатками - относительно высокое энергопотреб-
ление и уменьшение световой эффективности при увеличении плотности пикселов. Это
матричные СОИ, в которых отдельные светоизлучающие, светоотражающие или свето-
пропускающие ячейки образуют прямоугольную матрицу, управляемую с помощью
системы перпендикулярно расположенных электродов. Для получения цветных изо-
бражений три или четыре монохромные ячейки группируются в единый пиксел. Пара-
метры некоторых дисплеев этого типа приведены в табл. 11.4.
11.3. Основные типы систем отображения
277
Таблица 11.4
Параметры некоторых плазменно-дисплейных панелей [6|
Параметр Фирма-производитель
«Mitsubishi» (Япония) «Samsung» (Республика Корея) НПО «Плазма» (Россия)
Контраст Цветовая гамма Яркость, кд/м2 Формат, число пикселов Средний шаг пикселов, мм Размер дисплея, мм Масса, кг Потребляемая мощность, Вт Срок службы, ч 130 290 1280x1024 1168 (диагональ) 400 Красно-зелено-синий 350 852(хЗ)х480 1,08 1067... 1270 (диагональ) 35 350 30% Красно-зелено-синий 150...200 320x200 0,22 132x211 0,6 15000
Ожидается, что к 2010 г. дисплеи в виде газоразрядных панелей формата 1600x1200
будут обладать яркостью до 700 кд/м2, иметь размер по диагонали до 1500 мм при раз-
мере пиксела порядка 0,25 мм, световую эффективность 5 лм/Вт, контраст 100:1.
11.3.6. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ДИСПЛЕИ
В отличие от рассмотренных систем жидкокристаллические дисплеи (ЖКД) являются
пассивными. Создаваемое специальным источником подсветки излучение, отраженное или
проходящее через дисплей, модулируется приложенным к дисплею напряжением. Работа
ЖКД основана на изменении двулучепреломления жидкого кристалла под действием при-
ложенного электрического поля и, как следствие, изменении фазово-поляризационного со-
стояния светового пучка, прошедшего через жидкий кристалл. Яркость создаваемого изо-
бражения ЖКД, определяемая подсветкой, может изменяться за счет поглощения в анали-
заторе (как и поляризатор, это обязательный элемент ЖКД, работающий на просвет), а
также за счет отклонения (рассеяния) пучка, если неоднородность распределения ориента-
ции в пикселе сравнима с длиной волны проходящего излучения.
Наличие двулучепреломления у жидких кристаллов приводит к уменьшению углов
обзора, во избежание чего в состав ячеек вводят компенсаторы - фазовые пластины с
отрицательным двулучепреломлением или статический, т.е. не управляемый электри-
ческим полем, слой жидкого кристалла с одинаковым по размеру, но обратным по зна-
ку углом закрутки.
В последнее десятилетие созданы ЖКД, в которых оптическое состояние жидкого
кристалла изменяется не за счет управляющих сигналов, поступающих со схемы
управления, а за счет изменения состояния тонкопленочного транзистора, КМОП-
структуры или диода с нелинейной вольт-амперной характеристикой, включаемых по-
следовательно с отдельными жидкокристаллическими ячейками дисплея. Использова-
278
Глава 11. Системы отображения информации
ние активных матриц таких элементов позволяет увеличить быстродействие, контраст
и угол наблюдения ЖКД.
К достоинствам ЖКД относятся: малая потребляемая мощность (доли ватт), низкие
управляющие напряжения (единицы вольт), малые масса и габариты, хорошая совмести-
мость с интегральными электронными схемами, достаточно хорошее разрешение (десят-
ки линий на 1 мм). Достаточно высокий контраст позволяет при размерах ЖКД
30x30 мм2 отображать и преобразовывать кадры, состоящие из ЗОООхЗООО элементов. Та-
кие дисплеи обеспечивают яркость свечения ЗО...5О кд/м2 и более. По сравнению с дис-
плеями прямого видения (бесподсветочными), такими как ЭЛТ и плазменно-дисплейные
панели, ЖКД обладают большим разрешением при меньшем размере. Это уже сегодня
позволяет использовать ЖКД в нашлемных, автомобильных и других СОИ.
К существенным недостаткам ЖКД относятся: ограниченный диапазон рабочих
температур, что часто вынуждает иметь в составе системы отображения специальный
(встроенный) подогреватель; сравнительно небольшое пропускание и малый угол на-
блюдения (±15°) в дисплеях с большим числом элементов. Следует отметить, что при
высокой освещенности контраст изображения (объект - фон) повышается до 100:1.
Помимо температуры на работу ЖКД сильно влияют вибрации и другие условия экс-
плуатации (повышенная влажность, запыленность и т.д.).
Широкую известность получили ЖКД разработки компании «CRL» (Central Re-
search Lab, Великобритания). В монохроматических дисплеях типа VGA и SVGA при
использовании поляризованной подсветки поляризатор не входит в основную конст-
рукцию (стандартный модуль), но может устанавливаться на выходе системы, а также
размещаться отдельно. Цветной дисплей RXA1C обеспечивает динамический диапазон
в 4 бит при передаче трех основных цветов: красного, зеленого и синего. В конструк-
ции этого устройства светодиодный источник подсветки объединен с ЖКД, работаю-
щим на отражение.
Параметры некоторых ЖКД приведены в табл. 11.5 и 11.6.
Параметры ЖКД японских фирм
Таблица 11.5
Параметр Фирма-производитель
«Mitsubishi» «NRC» «Hitachi»
Яркость, кд/м2 70 200 120
Потребляемая мощность, Вт 2,9 14 18
Углы обзора, град — 160 140
Размеры экрана, мм — 359 333
Формат, пиксел 800x600(1024x768) — —
Жидкокристаллические дисплеи на основе активной матрицы управляющих тонкоп-
леночных транзисторов или диодов, 2005 г. должны обеспечить формат 2000х 1600
пикселов, имеющих шаг 180...200 мкм, при энергопотреблении 3...4 Вт.
Параметры жидкокристаллических дисплеев компании «CRL»
Параметры ТипЖКД
XGA-1 XGA-2 XGA-3 VGA/SVGA1 SVGA2VX/ SVGA3VX VGA3 RXGA1C
Размер (по диагонали), мм 46 33 23 33 33/23 33 15
Формат, пиксел 1024x768 1024x768 1024x768 680x480/800x600 800x600 680x480 1024x768
Период расположения пикселов, мкм 36x36 26x26 18x18 42x42/33x33 33x33 42x42 12x12
Коэффициент заполнения 0,64 0,54 0,35 0,65/0,63 0,62 0,31 0,9
Контраст (контрастное отношение) >100:1 >100:1 >100:1 >100:1 >100:1 >100:1 —
Габаритные размеры, мм 125x65x27,5 125x65x27,5 125x65x27,5 136,0x78,0x27,5 125x65x39,5 136x78x27,5 128x52x15
Рабочие температуры, °C -10...+70 -10...+70 -10...+70 0...+70 -10...+70 +10...+50 +10...+50
Потребляемая мощность, Вт 6 6 6 5 5,5 5 <4
Напряжение питания, В 5 5 5 12 1,5...13,5 12 6...9
Размеры экрана, мм 36,9x27,6 26,5x20,0 18,5x13,9 26,9x20 26,6x20 26,9x20 12,3x9,2
Пропускание, % 21 18 14 23/18 22 16 —
11.3. Основные типы систем отображения 279
280 Глава 11. Системы отображения информации
11.3.7. МИКРОДИСПЛЕИ
В последние годы большое внимание уделяется разработке так называемых мик-
родисплеев, состоящих из совокупности большого числа отдельных элементов разме-
ром в десятки микрометров каждый. Такие микродисплеи базируются на жидкокри-
сталлических элементах, органических светодиодах (ОСД), а также полупроводнико-
вых светодиодах из нитридов III группы (III-N).
Наиболее распространены жидкокристаллические дисплеи, управляемые с помо-
щью тонкопленочных транзисторов или КМОП-структур. Технология их изготовле-
ния хорошо освоена, что позволяет достичь высокого разрешения при достаточно
большом числе пикселов. Так, в 2003 г. фирма «Sony Corp.» объявила о выпуске от-
ражательного ЖКД телевизионного формата 1920x1080 с размером экрана 19,8 мм и
шагом пикселов 9 мкм. Дисплей обеспечивает контраст 3000:1 и более, его постоян-
ная времени равна 5 мс.
Все большую конкуренцию ЖКД составляют микродисплеи на базе ОСД, которые в
отличие от ЖКД не нуждаются в подсветке и поляризаций света, требуют меньших
управляющих напряжений и мощности питания, обладают меньшей инерционностью и
проще в изготовлении.
Для использования в ИКС, особенно малогабаритных, весьма перспективны III-N
микродисплеи, представляющие собой многослойные полупроводниковые структуры
на квантовых ямах. В [162] описаны конструкции на базе слоев кремния и магния, ле-
гированных AlGaNuCaN в сочетании с нелегированным активным слоем InGaN полу-
проводника толщиной порядка 20 А. Эти конструкции представляют собой матрицу
формата 10x10 светодиодов с размерами пикселов от 5 до 20 мкм и общим размером
0,5x0,5 мм. Управляющие напряжения с произвольной адресацией подаются через тон-
копленочные омические биметаллические контакты (p-типа из никеля и n-типа из алю-
миния и титана). Цвет свечения таких микродисплеев можно менять от фиолетового
(390 нм) до зеленого (520 нм), варьируя содержание In в активном слое InGaN. Изо-
тропное свечение элементов с сапфировой подложкой наблюдалось в широком угловом
поле (до 100°).
Микродисплеи на базе нитридов III группы полупроводников, не требуя внешнего
источника подсветки, как ЖКД, при меньших размерах и потребляемой мощности
обеспечивают высокие яркость свечения, контраст и разрешение. Они способны рабо-
тать в широком диапазоне температур, обладают высоким быстродействием и большим
сроком службы. В сочетании с надлежащей оптикой (объективами и окулярами) они
создают виртуальное поле изображений размером до 51 см, т.е. однотипное с размера-
ми экранов телевизионных или компьютерных мониторов.
В табл. 11.7 приведены основные параметры микродисплеев этих трех типов [162].
В заключение отметим, что в последние годы произошел массовый переход с широ-
ко используемых ранее кинескопных средств отображения информации на новые на ба-
зе плоских мониторов. Удалось минимизировать габариты аппаратуры, исключить
вредные излучения и уменьшить утомляемость операторов, связанную со строчной
11.4. Нашлемные и наголовные системы отображения на микродисплеях
281
разверткой изображения в кинескопах, а также повысить ресурс аппаратуры. Сегодня
объем продаж плоских мониторов достигает миллиарды долларов, причем основная
часть его приходится на СОИ на основе ЖКД, затем следуют плазменные панели и за-
вершают СОИ на электролюминесцентных индикаторах. Разработкой и выпуском пло-
ских мониторов за рубежом занимается свыше ста фирм. Ожидается, что при снижении
стоимости микродисплеев на ОСД и III-N микродисплеев, особенно цветных, они за-
метно потеснят ЖКД на огромном рынке сбыта этих элементов (мобильные телефоны,
приборные индикаторы и др.), объем которого в 2002 г. превысил 2 млрд долл.
Таблица 11.7
Типовые значения параметров различных микродисплеев
Параметр Тип микродисплея
ЖКД ОСД III-N
Яркость свечения, вд/м2 Разрешение (размеры пикселов), мкм Угловое поле, град Рабочая температура, °C Сопротивление <200 (полихроматический) <2000 (зеленый) >10 >90 0...+60 Низкое <1000 (полихроматический) >10 >80 -30...+55 Умеренное >1000 (полихроматический) >10000 (зеленый) >6 >90 -50...+200 Высокое
Примечания: постоянная времени составляет микросекунды; цветность - поли- или
монохроматическая
11.4. НАШЛЕМНЫЕ И НАГОЛОВНЫЕ СИСТЕМЫ
ОТОБРАЖЕНИЯ НА МИКРОДИСПЛЕЯХ
Нашлемные и наголовные ИКС предназначены для вождения и пилотирования раз-
личных транспортных средств (наземных, воздушных и др.), для наблюдения и ведения
боевых действий в ночных условиях, для ориентирования на местности и др. Такие
устройства имеют оптическую систему, приемники и преобразователи изображения,
которыми чаще всего являются ЭОП, а также системы отображения.
Нашлемные дисплеи (НД) представляют собой систему отображения информации
индивидуального пользования, размещаемую в непосредственной близости от глаз на-
блюдателя с помощью специального шлема. Вместе с НД на шлеме крепится оптическая
система, преобразователь инфракрасного изображения в видимое и схема управления
дисплеем. Все это предъявляет жесткие требования к габаритам, массе, балансировке
(опрокидывающим моментам), системе электропитания, удобству наблюдения, безо-
пасности работы [56, 138, 201]. Широкое применение в НД находят миниатюрные ЭЛТ
благодаря высокому качеству изображения и ЖКД благодаря простоте конструкции,
282 Глава 11. Системы отображения информации
малым габаритам и малому энергопотреблению. Как правило, НД должен создавать
цветные действительные изображения, учитывающие особенности зрительного аппара-
та человека (см. §11.1). В ряде применений, например при построении мнимых изобра-
жений на ветровом стекле летательного аппарата или автомобиля, дисплеи дополняют-
ся специальными оптическими системами.
НД первого поколения разрабатывались для управления летательными аппаратами,
включая космические, а также транспортными средствами, строились на базе миниа-
тюрных ЭЛТ. В табл. 11.8 приведены параметры двух НД типа SIM EYE™ (фирма
«Kaiser Electro-Optics», США) на базе двух монохромных ЭЛТ с размером экрана
2,5 см, снабженных волоконно-оптической шайбой для повышения контраста. Для об-
разования цветного изображения перед экраном ЭЛТ помещался светофильтр, пере-
ключаемый с помощью двух модуляторов на жидких кристаллах. Частота обновления
изображения составляла 60 Гц.
Таблица 11.8
Основные параметры нашлемных дисплеев SIM EYE™ [56]
Параметр Марка
SIM EYE™ 40 SIM EYE™ 60
Угловое поле, град., покрытие: 100%-ное (круговое) 40%-ное 20%-ное 40 60x20 60 80x60 100x60
Диаметр входного зрачка, мм 15 15
Удаление входного зрачка, мм >25 >25
Светопропускание (на просвет), % >24 >10
Яркость, кд/м2 >20 >20
Угловое разрешение, у гл. мин 2,7 4,0
Контраст >20:1 >20:1
Масса, кг 1,8 2,1
Формат изображения 1280x1024 1024x1024 640x480 1280x1024 1024x1024 640x480
Электропитание 90...250 В (пост, ток) 5А (максим.) 90...250 В (пост, ток) 5 А (максим.)
В ряде нашлемных систем можно объединять изображение пространства реальных
объектов с изображением, сформированным на дисплее, а специальная следящая сис-
тема позволяет приемникам излучения следить за линией визирования человека-
оператора.
Дисплеи на базе ЭЛТ из-за относительно больших масс и габаритов трубок ограни-
чивают свободу в повороте головы, а высоковольтный источник питания требует
11 -4. Нашлемные и наголовные системы отображения на микродисплеях 283
особых мер безопасности. Поэтому, несмотря на высокое разрешение НД на ЭЛТ (до
400 лин./мм), хорошее быстродействие и невысокую стоимость, в последние годы с
ними успешно конкурируют плоские активно-матричные ЖКД, имеющие низкие
управляющие напряжения и малую толщину (несколько миллиметров) и создающие
полноцветные изображения без мелькания в широком диапазоне яркости экрана.
Простой монокулярный НД для работы с персональным компьютером, разрабо-
танный корпорацией «Seiko Epson» (Япония) и Токийским медицинским институтом,
имеет формат 640x480. Для схемы управления выбраны тонкопленочные транзисто-
ры. Оптическая система строит мнимое изображение с размером по диагонали до 43 см
при размере экрана 3,35 см. Угловое поле по горизонтали составляет 32°, по вертика-
ли — 24°. Расстояние до глаз наблюдателя 20...35 мм позволяет работать в очках. Яр-
кость экрана 20... 150 кд/м2. Дисплей потребляет мощность менее 2 Вт, его масса со-
ставляет 250 г.
Таблица 11.9
Параметры некоторых систем с микро дисплеями
Параметры Тип системы, фирма-производитель
Монокуляр Liteye 300, «Liteye Со» Монокуляр Liteye 200, «Liteye Со» Бинокуляр HMD-1, «IR Cameras Со»
Угловое поле по диагонали, град. 47 40 18,75
Формат, пиксел 640x480 640x486 180000
Число уровней серого 128 128 —
Период расположения пикселов, мкм 24 24 —
Яркость, кд/м2 170 170 68
Коэффициент заполнения 0,84 0,84 —
Контраст (контрастное отношение) 100:1* 500:1** 100:1* 500:1** 200:1
Частота смены изображений, Гц 60 60 —
Общие размеры, мм 37,5x50x45 50x40x40 95x40x35
Масса, г 42 112 36
Рабочие температуры, °C -40...+75 -40...+75 —
Потребляемая мощность, Вт 2,5 2,5 —
Напряжение питания, В 9,5...12 9,5...12 7...9
* - при уровне 8 бит серого, ** - при одном бите уровня монохромного изображения
Фирмой «Liteye» (США) разработана гамма микродисплеев в виде монокулярных
насадок, закрепляемых перед одним глазом наблюдателя с помощью наголовных повя-
284
Глава 11. Системы отображения информации
зок, шлемов и других устройств. Поле обзора монокулярных насадок может превышать
40° (см. табл. 11.9), а при использовании бинокулярных - 210°, что позволяет вести на-
блюдение без поворота головы (например, при наблюдении экрана телевизора или мо-
нитора компьютера размером 51 см).
Помимо активно-матричных ЖКД в последние годы для НД применяют и другие
дисплеи: вакуумные флюоресцентные, на основе полевой эмиссии, электролюминес-
центные. Ведутся разработки НД, использующих сегнетоэлектрические жидкие кри-
сталлы на основе хиральных смектиков. Исследования этих материалов показывают,
что дисплеи такого типа будут иметь высокое разрешение, малые времена переключе-
ния (менее 50 мкс), малые потребляемую мощность и управляющее напряжение (около
5 В) при толщине слоя жидкого кристалла порядка 2 мкм. Такой жидкий кристалл раз-
работки фирмы «Chisso» (Япония) размещается между кремниевой подложкой, на ко-
торой сформированы 1024x768 пикселов площадью 12 мкм2, и стеклянной с прозрач-
ным электродом [6]. При расположении между анализатором и поляризатором жидкий
кристалл работает как бинарный модулятор света. Цветные изображения синтезируют-
ся за счет согласованного во времени освещения пикселов бинарного изображения ис-
точниками постоянной интенсивности - линейками светодиодов с разным цветом све-
чения. Частота формируемых изображений составляет 75 Гц, освещенность на сетчатке
глаза достигает 100 лк. Изображения размером 1,23x0,92 см наблюдаются в угловом
поле 40° с дисторсией менее 4%.
Глава 12
ИСПЫТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ
ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
«СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
12.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИСПЫТАНИЯХ
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
Под испытаниями в соответствии с ГОСТ 16504-81 понимается экспериментальное
определение параметров и показателей качества продукции (в нашем случае - инфра-
красных систем) в процессе функционирования или при имитации условий эксплуата-
ции, а также при воспроизведении воздействий на продукцию по заданной программе.
Порядок испытаний, их программы и методика, аппаратура для проведения испытаний
при проектировании и производстве, состав технической документации и ее содержа-
ние для ИКС принципиально остаются теми же, что и для всего класса оптико-
электронных приборов и систем [21,45, 48].
Различают испытания производственные и эксплуатационные, т.е. на стадии изго-
товления и на стадии эксплуатации ИКС.
Испытания классифицируются по целям. Исследовательские испытания предназна-
чены для изучения отдельных свойств ИКС, в частности для определения зависимости
предельно допустимых значений конструктивных параметров ИКС от режимов их
функционирования (граничные испытания). Контрольные испытания проводят для
оценки качества ИКС, сравнительные - для сопоставления характеристик качества
двух или нескольких ИКС. Доводочные испытания нацелены на достижение требуемых
показателей качества, а аттестационные - на оценку уровня качества ИКС при их ат-
тестации.
Контрольные испытания достаточно разнообразны [48]. Так, приемочные испы-
тания, предназначенные для решения вопроса о целесообразности постановки на
производство опытных образцов (партий) ИКС, могут выполняться ведомственны-
ми, межведомственными или государственными комиссиями. В зависимости от это-
го их называют соответственно ведомственными, межведомственными и государ-
ственными.
286
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
Приемосдаточным испытаниям как составной части производственного процесса,
завершающей изготовление прибора, подвергаются все собранные приборы для про-
верки их на соответствие требованиям технических условий (ТУ). Их сопровождает
предварительный контроль испытуемых приборов, который выполняется на всех ста-
диях производства и сведения о результатах которого должны содержаться в прилагае-
мом к каждому прибору заключении отдела технического контроля и представителя за-
казчика.
Испытания проводят в определенной последовательности в соответствии с картой
технологического процесса испытаний. Для этого используют необходимые испыта-
тельную аппаратуру и измерительные приборы, на которые должно быть выдано за-
ключение об их аттестации и годности к применению в соответствии с действующими
нормативными документами.
Процесс проведения приемосдаточных испытаний включает ряд этапов. На первом
проверяют и изучают сопроводительную документацию и выполняют внешний осмотр
приборов. Это позволяет выявить и исправить некоторые дефекты в процессе предва-
рительной подготовки прибора к испытаниям. Далее проводят собственно испытания, в
процессе которых проверяют общие и специальные характеристики прибора, установ-
ленные ТУ и инструкциями с учетом особенностей конструкции, назначения и условий
эксплуатации прибора. На заключительном этапе выявляют механические повреждения
и коррозию, которые могли возникнуть при испытаниях прибора.
В процессе испытаний ведут технологический паспорт (журнал), в котором отража-
ют весь ход испытаний, приводят сведения о возникших дефектах, об их устранении, а
также протоколы, в которых помещают результаты испытаний.
На основании указанных материалов в сопроводительные документы прибора (пас-
порт и формуляр) вносят следующие данные: заключение о пригодности к эксплуата-
ции, отметки о результатах заводских и приемосдаточных испытаний, гарантийные
сроки эксплуатации.
В зависимости от объемов и сроков различают испытания [45]:
- нормальные, обеспечивающие получение необходимой информации в те же сроки,
что предусмотрены условиями обычного режима эксплуатации;
- ускоренные, позволяющие получать необходимую информацию в более короткий
срок, чем предусмотрено условиями и режимами эксплуатации;
- форсированные, основанные на интенсификации процессов, вызывающих отказ и
повреждения;
- сокращенные ускоренные - без интенсификации процессов, вызывающих отказы и
повреждения.
В зависимости от условий проведения испытания могут быть натурными (полигон-
ными), стендовыми и эксплуатационными. При натурных испытаниях ИКС в соответ-
ствии со своим алгоритмом функционирует при взаимодействии с оператором или сис-
темой управления, окружающей средой и связанными с ними системами, т.е. в услови-
ях, близких к эксплуатационным. Натурные испытания не всегда можно организовать
при разработке и изготовлении ИКС и их узлов, например, если они предназначены для
12.1. Общие сведения об испытаниях оптико-электронных приборов 287
космических аппаратов. Кроме того, натурные испытания дороги и требуют длительно-
го времени для их проведения.
Стендовые испытания проводят на специальных стендах, с помощью которых физи-
чески либо математически моделируют внешние воздействия на ИКС. В последнее время
для выявления целесообразности сложных и дорогостоящих испытаний различных видов
широко используют компьютерное моделирование. Если по его результатам оказывается,
что получить заданные показатели качества ИКС невозможно, то с помощью тех же ма-
тематических моделей можно провести параметрический или схемотехнический анализ
разрабатываемой конструкции и, изменяя отдельные параметры конструкции прибора
или его схемы, прийти к требуемому результату. Затем процесс последовательных испы-
таний изделия продолжается. Иногда их разделяют на два типа: для оценки параметров
ИКС или ее элементов и пригодности ИКС для работы в составе более сложного техни-
ческого комплекса. С этой целью при испытаниях определяют характеристики процес-
сов, возникающих при взаимодействии ИКС с другими системами и окружающей средой.
К техническим средствам испытаний (ТСИ) предъявляются следующие требования:
- адекватность множества воспроизводимых имитационными стендами воздействий
множеству действительных, влияющих на качество функционирования ОЭП;
- соответствие метрологических характеристик имитационных стендов заданным
требованиям;
- возможность контроля стендов, т.е. наличие соответствующего контрольно-
измерительного оборудования;
— соответствие габаритных размеров и присоединительных устройств стенда и ИКС.
Испытания на воздействие внешних факторов и условий эксплуатации разделяют на
механические, климатические, термобарические, специальные.
Аппаратура и методики механических испытаний подробно описаны в специальной
литературе и нормативной документации (ГОСТ, ОСТ, инструкции и т.п.) и здесь не
рассматриваются. Отметим лишь, что наиболее часто ИКС подвергаются следующим
воздействиям, которые могут быть реализованы в одной, двух или трех плоскостях в
зависимости от технических условий на прибор:
- синусоидальным вибрациям заданной частоты для оценки прочности;
- синусоидальным вибрациям с изменяющимися частотами для определения резо-
нансных частот и проверки устойчивости параметров;
- случайным вибрациям для оценки устойчивости параметров;
- одиночным и многократным ударам для проверки механической прочности и ус-
тойчивости ИКС и ее элементов;
- линейному ускорению для проверки устойчивости параметров;
— транспортной тряске для проверки устойчивости ИКС в составе объекта и в упа-
кованном виде;
- качанию для проверки устойчивости параметров ИКС при изменении направления
движения с изменяющимся ускорением.
Проверка на механическую прочность проводится в нерабочем состоянии приборов, а
проверка на механическую устойчивость — при рабочем (включенном) состоянии ИКС.
288
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
При испытаниях на вибропрочность выявляют дефекты сборки и юстировки, проч-
ность конструкции и ее отдельных узлов, надежность контактов и т.п.
Испытания на воздействие ударных нагрузок проводят обычно в нерабочем состоя-
нии ИКС, т.е. проверяют ударную прочность системы. В ряде случаев проверяется и
ударная устойчивость системы. Некоторые ИКС подвергаются ударным испытаниям
при падении. Используемые на практике ударные стенды различных типов различают
по диапазону ударных ускорений, частоте ударов, наибольшей массе испытуемых при-
боров и наибольшей высоте падения. При этом оговариваются частота ударов в минуту,
общее число ударов за весь период испытания, длительность ударного импульса и
ударное ускорение.
Испытания приборов на воздействие линейных ускорений проводят на центрифугах.
Прибор крепится на траверсе или столе центрифуги на определенном расстоянии от
оси вращения. С противоположной стороны устанавливается противовес или аналогич-
ный прибор.
Испытания на транспортную тряску для ИКС, упакованных в ящики, проводят в
натурных условиях, т.е. в кузове грузового автомобиля, который движется по неровной
дороге со скоростью 20...40 км/ч на расстояние до 1000 км. Используются также стен-
ды, имитирующие транспортную тряску с частотой 40...80 Гц, создаваемую кулачко-
выми механизмами.
Многие ИКС должны нормально функционировать в сложных климатических усло-
виях: при изменении температуры, влажности, воздействии атмосферных осадков, аг-
рессивных сред (морской воды, тумана и т.п.), пыли и др. Поэтому такие ИКС подвер-
гают климатическим испытаниям'.
- на устойчивость к быстрому изменению температуры окружающей среды от ми-
нимальной до максимальной и к циклическим изменениям температуры в этом диапа-
зоне;
- на воздействие окружающей среды повышением и понижением температуры и
влажности;
— на воздействие атмосферных конденсированных осадков (росы или инея);
- на воздействие дождя;
- на водозащищенность;
- на воздействие соляного (морского) тумана и других агрессивных сред;
- на статическое и динамическое воздействие пыли и песка.
Комплексные и климатические испытания проводят при различном сочетании ука-
занных воздействий. Кроме того, возможны и дополнительные испытания, оговаривае-
мые в частных технических условиях на прибор.
Можно выделить климатические испытания на устойчивость эксплуатационных
параметров и показателей качества при предельных допустимых влияющих факторах
и при их изменениях. В первом случае параметры приборов должны находиться в за-
данных пределах при их эксплуатации, во втором - параметры приборов, их внешний
вид и другие показатели не должны иметь необратимых изменений после прекраще-
ния испытаний.
12.1. Общие сведения об испытаниях оптико-электронных приборов
289
При испытаниях на изменение температуры приборы помещают в специальные ка-
меры: термостаты и криостаты (холодильники). В частных технических условиях
должны быть указаны режимы испытаний: температуры и скорости изменения, про-
должительность испытания при различных значениях температуры, режим последую-
щего изменения температуры до заданного рабочего значения, перепады температур
различных частей приборов и т.п. Испытания при повышенной температуре проводят в
термостатах, работу в которых обеспечивают электрические, водяные или паровые
обогреватели. При этом проверяют функционирование приборов, отсутствие дефектов
в оптических узлах, например расклеек, деформаций в кинематических звеньях, со-
стояние электроизоляции, смазочного материала и уплотняющей или герметизирующей
замазки. Для испытаний при пониженной температуре используют холодильные камег
ры - криостаты, в которых поддерживается необходимая низкая температура. При этом
после выдержки прибора при минимальной температуре непосредственно в холодиль-
ной камере проверяют его функционирование и выходные характеристики, внешний
вид и наличие дефектов в различных узлах.
Испытания при повышенной влажности проводятся в камерах теплоты и влаги -
гидростатах, в которых влажность можно довести до 98% путем испарения воды, при
этом обеспечивается повышение температуры до 35 °C. В процессе испытаний прове-
ряют устойчивость приборов к коррозии, качество лакокрасочных покрытий, уплот-
няющих элементов и электроизоляции. В некоторых случаях после повышения влажно-
сти прибор нагревают или охлаждают, тем самым проверяя появление влаги или измо-
рози внутри него.
Иногда ИКС испытывают на водонепроницаемость в специальных дождевальных
камерах, в которых струйки воды равномерно распределяются по поверхности прибора
под различными углами в течение 30 мин. При этом температура воды должна соответ-
ствовать температуре реального дождя.
Устойчивость приборов к воздействию морского тумана и других агрессивных сред
проверяют путем распыления соответствующего раствора пульверизатором с после-
дующим контролем качества покрытий и коррозии металлов после воздействия в тече-
ние нескольких суток.
Испытания на пылеустойчивость проводят в камерах, через которые со скоростью
до 15 м/с продувают смесь частиц песка, мела и глины размером до 50 мкм в течение
1...2 ч. При этом контролируют давление, создающее воздушную струю, и количество
частиц. При статическом воздействии пыли в камере создают определенную запылен-
ность, которую контролируют, подсчитывая пылевые частицы в единице объема. После
испытаний проводят внешний и внутренний осмотр прибора для выявления пылевых
частиц внутри прибора и повреждений покрытий, особенно оптических деталей.
В результате термобарических испытаний определяют изменения качественных ха-
рактеристик приборов и их устойчивости при изменениях давления и температуры. Для
этого используют термобарокамеры, обеспечивающие повышенное или пониженное
давление, броневанны и бронекамеры. В броневаннах испытывают приборы, погру-
женные в воду, в бронекамерах — приборы, заполняемые газами. При этом проверяют в
10 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
290
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
основном прочность уплотнений и герметизации корпусов. В термобарокамерах же
проверяют функционирование приборов, их герметичность, состояние смазки, уплот-
нений, качество изоляции. В некоторых случаях приборы испытывают на прочность
избыточным давлением изнутри, заполняя их водой или газом, например гелием.
Для проверки герметичности приборов можно также использовать вакуумный спо-
соб испытаний. При этом в качестве контрольного газа применяют хорошо проникаю-
щий в малые отверстия гелий, содержание которого в атмосфере весьма незначительно,
что обеспечивает точность измерений вследствие незначительности влияния на испы-
тания атмосферного гелия. Кроме того, гелий инертен, негорюч и нетоксичен.
Для контроля за утечкой гелия используют масс-спектрометрические течеискатели.
При этом чаще всего применяют два метода вакуумных испытаний: гелиевой камеры и
натекания в гелиевую камеру. В первом случае в гелиевую камеру помещают испытуе-
мый прибор, внутри которого создают вакуум, а в камеру под избыточным давлением
подают гелий. При наличии течи гелий, проникаемый внутрь прибора, контролируется
течеискателем, соединенным с внутренней частью прибора. Во втором случае прибор
помещают в вакуумную камеру, соединенную с системой откачки и течеискателя, по-
сле чего внутреннюю полость под давлением заполняют гелием, который при наличии
течи вытекает в камеру, где и улавливается течеискателем.
К специальным относятся методы испытаний: оптические, электрические, на на-
дежность, устойчивость к солнечной радиации, к воздействию микроорганизмов, иони-
зирующего и лазерного излучений и др. В процессе оптических испытаний проверяют
качество функционирования ИКС и их узлов, т.е. их энергетические, спектральные,
пространственные, геометрические, фоновые, пространственно-частотные, динамиче-
ские и некоторые другие характеристики в стабильных нормальных условиях. Их раз-
новидностью являются параметрические оптические испытания, при которых опреде-
ляют ряд важных параметров и характеристик оптической системы и прибора в целом
(см. далее), а также исследуют влияние изменений отдельных параметров на качество
функционирования приборов. Оптические испытания проводят на универсальных и
специальных стендах, имитирующих условия, в которых проявляются различные ха-
рактеристики и параметры излучателей, помех и фона.
При электрических испытаниях оценивают помехозащищенность ИКС и их узлов от
воздействия естественного или искусственного электромагнитного поля, электриче-
скую прочность изоляции и электрическое сопротивление изоляции.
Помехозащищенность ИКС от воздействия электромагнитных полей контролируют
в специальных, экранируемых от неуправляемых электромагнитных полей помещени-
ях, внутри которых располагают электромагнитные устройства, создающие электро-
магнитные помехи заданной интенсивности. Электрическое сопротивление и прочность
изоляции проверяют на специальных стендах, воспроизводящих образцы токов и высо-
ких напряжений.
Испытаниям на надежность подвергают многие функциональные узлы ИКС. При
этом на специальных стендах, имитирующих работу функциональных узлов, контроли-
руют основные показатели надежности, например ресурс работы, наработку на отказ.
12.2. Аппаратура для стендовых оптических испытаний
291
Для испытаний на устойчивость к воздействию солнечной радиации используют спе-
циальные камеры, оснащенные имитаторами Солнца, основанными на газоразрядных
ксеноновых лампах, спектральный состав излучения которых близок к спектру солнеч-
ного излучения.
Приборы, предназначенные для работы в условиях тропического климата, испыты-
вают на грибоустойчивость в камерах грибкообразования. При температуре 40°С и
влажности 90...95% приборы опрыскивают водной суспензией из спор плесневых
грибков и других микроорганизмов, а затем выдерживают в камере до 30 суток, после
чего осматривают и проверяют их работоспособность.
Рассмотрим более подробно методы определения важнейших технических показате-
лей качества ИКС «смотрящего» типа на базе твердотельных матричных МПИ. Иссле-
дования и испытания ИКС на базе ЭОП и передающих телевизионных трубок ИК-
диапазона достаточно подробно описаны в литературе (см., например, [116]).
12.2. АППАРАТУРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ СТЕНДОВЫХ
ОПТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
12.2.1. СХЕМЫ СТЕНДОВ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ОПТИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ИКС
При стендовых оптических испытаниях имитируют фоноцелевую обстановку, а час-
то и окружающие условия, в которых происходит работа ИКС. В состав стендов входят
средства воспроизведения этой обстановки и окружающих условий, средства контроля
и измерения параметров и характеристик аппаратуры и условий испытаний, а в ряде
случаев, например при автоматизации всего процесса испытаний или отдельных его
этапов, и устройства управления испытаниями [8, 9,21,60, 116, 144, 151, 218 и др.].
В процессе лабораторных стендовых и полевых испытаний ИКС определяется прак-
тически вся совокупность показателей качества этих систем, рассмотренных в гл. 4: эк-
вивалентная шуму разность температур АТП (ЭШРТ), минимальная разрешаемая раз-
ность температур А7р (МРРТ), минимальная обнаруживаемая разность температур
Д7ор, угловое разрешение при нормированном контрасте, предельное температурное
разрешение, элементарное и мгновенное угловые поля, спектральный рабочий диапа-
зон, частота кадров, неравномерность яркости изображения и некоторые другие. К чис-
лу важнейших характеристик ИКС, определяемых при испытаниях и исследованиях,
относятся: температурно-частотная и температурно-пространственная характеристики,
оптическая передаточная функция (функция передачи модуляции) и др.
Стенды для оптических и специальных испытаний включают следующие основные
узлы (рис. 12.1):
- излучатели, чаще всего в виде черных тел (ЧТ);
- блоки задания спектральных, пространственных и временных параметров излуче-
ния, в состав которых могут входить различные тест-объекты (Т-О) - миры, оптические
10*
292
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
фильтры, маски-транспаранты, для имитации расположения которых в бесконечности
используются коллиматоры;
- системы считывания сигналов (выходные регистрирующие блоки), в состав кото-
рых могут входить видеоконтрольные или другие устройства отображения, записы-
вающая аппаратура, устройства для предварительной обработки результатов испыта-
ний и др.
Первые два узла часто объединяют под названием «имитатор излучения». Во всех
случаях параметры и характеристики перечисленных блоков должны тщательно согла-
совываться с параметрами и характеристиками испытуемой системы, а иногда некото-
рые узлы ИКС, например поворотное уст-
ройство или систему отображения, можно
использовать в качестве элементов испыта-
тельного стенда (заменять их).
Очень трудно одновременно (в единой
конструкции) имитировать излучения объек-
тов и фонов, изменяющиеся по интенсивно-
сти, спектру длин волн, пространству, вре-
мени, состоянию поляризации. Поэтому час-
то в состав стенда включают несколько отдельных излучателей, каждый из которых,
включая собственные средства воспроизведения спектральных, пространственных и
временных характеристик имитируемых целей и фонов, с помощью собственной же
или общей оптической системы (коллиматора) создает на входе испытуемой ИКС от-
дельную составляющую физической модели фоноцелевой обстановки.
На рис. 12.2 показаны две типовые схемы таких стендов. В первой из них (рис. 12.2,а),
где объектив коллиматора условно показан в виде одиночной линзы, излучение источ-
ника ИП, воссоздающего излучение цели, поступает на непрозрачную излучающую
маску-транспарант, прорезь в которой имитирует видимые размеры и форму цели.
Температура маски 7ф соответствует температуре фона. Во второй схеме (рис. 12.2,6) с
объективом коллиматора в виде внеосевой параболы используется зеркально-
Т-О
Коллиматор
Рис. 12.1. Обобщенная схема стенда для
исследований ИКС
Рис. 12.2. Схемы двух типов имитаторов фоно-целевой
обстановки с излучающей маской с прорезями (а) к с
отражательной маской (б).
б)
12.2. Аппаратура для стендовых оптических испытаний
293
отражающая маска, облучаемая дополнительным излучателем НФ, имитирующим из-
лучение фона с температурой 7ф. В обеих схемах для борьбы с излучением окружаю-
щей среды и элементов конструкции, воздействующим на маски-имитаторы и создаю-
щим вредные дополнительные составляющие сигналов на входе испытуемых ИКС, ис-
пользуются бленды.
Сложность юстировки и испытаний отдельных блоков ИКС (оптической системы,
анализатора изображений, приемника излучения и др.) во многом объясняется тем, что
они, как и стенды для их настройки и испытаний, должны работать в невидимой для
человеческого глаза области спектра. Поэтому в ближней области ИК-диапазона часто
используется метод визуализации ИК-излучения с помощью ЭОП. Однако, если ИКС и
испытательный стенд должны работать в средне- и длинноволновом ИК-диапазоне, в
большинстве случаев применяют автоматизированные оптико-электронные системы (в
том числе и тепловизоры), подробно описанные в [21].
Для имитации спектрального состава и яркости или силы излучения обычно исполь-
зуют достаточно широкополосный по спектру и мощный излучатель - как правило,
черное тело (ЧТ) в сочетании с оптическими фильтрами, селективными (спектральны-
ми) и нейтральными. Кроме фильтров, спектральный состав излучения иногда изменя-
ют так называемыми варииллюминаторами, представляющими собой двойные моно-
хроматоры с фигурными масками, по-разному срезающими отдельные составляющие
разложенного в спектр излучения источника [21].
В составе стенда должны быть устройства контроля и регулировки температуры от-
дельных его частей, а также датчики температуры окружающей среды. Чтобы сохра-
нить постоянным температурный контраст между целью и фоном ДТ при изменении
температуры окружающей среды, приходится изменять температуры излучателей -
имитаторов целей и фонов.
В соответствии с требованиями к температурному разрешению ИКС погрешности
установки, стабилизации и измерения рабочих температур отдельных блоков стенда
часто не должны превышать 0,01 и даже 0,001 °C.
В связи с созданием сложных оптико-электронных комплексов, включающих не
только ИКС, но и другие системы (визуальные, лазерные и т.д.), потребовалась новая
испытательная аппаратура, позволяющая исследовать на одном стенде весь комплекс.
Для исследований и испытаний таких комплексов, предназначенных для ВМФ США,
был разработан стенд SOTS (The Sensor Optical Test System), основу которого составля-
ет зеркальный коллиматор по схеме Ньютона с объективом, имеющим фокусное рас-
стояние около 2 м и относительное отверстие 1:5 и работающим в диапазоне
0,4... 15,0 мкм. Угловое поле объектива немного превышает 1,5° [202]. Объектив обес-
печивает дифракционное качество изображения на оси, а волновая аберрация коллими-
рованного пучка не превышает 0,1 длины волны He-Ne-лазера. В коллиматоре исполь-
зуется плоская зеркальная маска-имитатор цели размером 50х50 мм. В модифициро-
ванном варианте этого стенда (SOTS II) зеркальный объектив Ньютона имеет фокусное
расстояние около 1,5 м при относительном отверстии 1:5 и угловом поле 5,7°. Системы
SOTS и SOTS II используют программное обеспечение IRWindows™, «Santa Barbara In-
294
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
frared Inc.» (см. § 12.3.6), позволяющее определять экспериментально важнейшие пара-
метры и характеристики инфракрасного и визуального каналов: передаточную функ-
цию сигнала, функцию передачи модуляции, минимальный разрешаемый контраст, ми-
нимальные обнаруживаемую и разрешаемую разности температур, эквивалентную шу-
му разность температур, геометрический шум, параметры трехмерного шума, угловое
поле, однородность чувствительности и др. На тех же стендах измеряются параметры и
характеристики лазерных каналов (дальномеров, целеуказателей): мощность и энергия
в импульсе, длительность и периодичность импульсов излучения, погрешность линии
визирования и др. Стенды можно дополнять двухосной платформой-столом и исполь-
зовать для динамических испытаний оптико-электронных комплексов, включая ИКС.
12.2.2. ИЗЛУЧАТЕЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В СТЕНДАХ
ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ ИКС
В качестве излучателей, используемых в стендах для испытаний и исследований
ИКС, наиболее распространены черные тела [8, 26, 51, 176, 207 и др.]. Несмотря на то,
что ЧТ, называемое также полным излучателем, - физическая идеализация, его коэф-
фициент поглощения, а следовательно, и коэффициент излучения в реальных конст-
рукциях очень близки к единице.
Конструкции ЧТ неоднократно описывались в литературе. В одной из них (рис.
12.3) нагреваемый с помощью электрической спирали 5 элемент 6 с конической излу-
чающей полостью 11 окружен изоляцией 7. Выходная диафрагма 2, устанавливаемая
перед излучающей полостью, может быть постоянной или сменной, например пред-
ставлять собой поворачивающийся диск
(револьверную головку) с расположен-
ными по его периферии диафрагмами
различных форм и размеров. Элемент 6
изготавливают из материалов с хорошей
теплопроводностью (сталь, медь, алюми-
ний), что обеспечивает постоянство тем-
пературы по всей излучающей полости.
Для увеличения коэффициента излучения
е поверхность этой полости обычно вы-
полняют шероховатой и оксидированной.
Выходное окно полости (основание
конуса) иногда защищают специальным,
прозрачным в рабочем спектральном
диапазоне экраном 3, чтобы оно вместе с теплоизолирующими слоями 4 уменьшало те-
пловые потери. В передней части конструкции установлены диафрагмы-радиаторы 1,
охлаждаемые воздухом. Температура ЧТ измеряется с помощью термисторов 9, выво-
ды которых закрыты крышкой 8. Корпус ЧТ имеет ребра охлаждения 10.
12.2. Аппаратура для стендовых оптических испытаний
295
Для приближенного расчета е в случае распространенной на практике конической
полости можно воспользоваться формулой [26]
Д.7«
1+д7(Ч2)
где р - коэффициент отражения полости; DK и 1К - соответственно диаметр основания и вы-
сота конуса. Диаметр DK выходных отверстий излучающих полостей ЧТ обычно не превы-
шает 25.. .50 мм, а диаметры калиброванных диафрагм 2 метут быть уменьшены до 1 мм.
Рабочие температуры наиболее распространенных на практике ЧТ составляют от 50
до 1000°С. Иногда необходимо иметь черные тела с более низкими температурами. Ряд
конструкций таких излучателей, разработанных во ВНИИ оптико-физических измере-
ний (Россия), описан в [207]. Они способны имитировать полные излучатели с рабочи-
ми температурами от -197 до +180°С, причем стабильность этих температур поддер-
живается с допусками порядка 0,002...0,02°С/ч, а коэффициенты их излучения в спек-
тральных диапазонах 1.. .20 мкм равны 0,9997...0,9998.
В табл. 12.1 приведены параметры трех калибровочных моделей черных тел, ис-
пользуемых при испытаниях и исследованиях ИКС у нас и за рубежом.
Черные тела используются как эталонные излучатели при испытаниях и исследо-
ваниях ИКС, работающих главным образом в средне- и длинноволновой частях ИК-
спектра. Для испытаний ИКС, работающих в коротковолновой (ближней) части ИК-
спектра с длинами волн 0,76... 1,8 мкм, например ИКС с ЭОП, часто применяют элек-
трические лампы с вольфрамовыми нитями накала (источники типа А, В и С с темпе-
ратурами нитей канала 7\ = 2850 К, 7в = 4800 К, 7с = 6500 К), а иногда галогенные
лампы. При испытаниях и исследованиях ИКС функции ЧТ имитируют также тепло-
вые излучатели специальной конструкции (штифты Нернста, глобары, трубчатые
кварцевые излучатели, различные установки с электроподогревом и др. [26, 51]).
Низкотемпературное излучение при испытаниях и исследованиях ИКС воспроизводят с
помощью кювет, через которые пропускается вода требуемой температуры. На стенки кю-
веты, служащие излучателем, наносят покрытия с коэффициентом излучения, близким к
единице («черный хром», глубокоматовые эмали, смесь сажи с клеем БФ). Иногда в каче-
стве низкотемпературных излучателей используют экраны из меди, покрытой черной глу-
бокоматовой эмалью. С обратной стороны экрана располагают пленочный электронагрева-
тель в виде спиральной токопроводящей дорожки. Температуру контролируют терморези-
стором, управляющим автоматической системой терморегулирования. Погрешность ка-
либровки такой системы составляет ±0,2°С [21].
При охлаждении элементов конструкции ЧТ часто сталкиваются с проблемой об-
разования влаги, если требуемая температура охлаждения ниже точки росы окру-
жающей ЧТ среды.
У большинства известных промышленных конструкций ЧТ рабочие температуры не
превышают 600°С. Еще одной из проблем для таких ЧТ оказывается достижение одно-
родности температуры по всей площади излучающих диафрагм или масок при необхо-
296
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
димости иметь широкое угловое поле. Кроме того, здесь приходится сталкиваться с
большой тепловой инерцией таких имитаторов, т.е. с трудностью достаточно быстро
изменять температуру излучателя.
Таблица 12.1
Сравнительные характеристики калибровочных моделей черных тел
Параметр Черное тело с протяженной поверхностью излучения SR-80 (« Ci-Systems», Израиль) Источник дифференциальной температуры, серия PI14025D («Electro Optical In- dustries. Inc.», США) Модель черного тела с протяженной поверхностью излучения ПМЧТ-120 (ГИПО, Россия)
Размер излучающей апертуры, мм 101,6x101,6 117x117 0110
Излучательная способность 0,97 ± 0,01 0,96 ± 0,04 0,991
Диапазон задаваемой разности температур Д Д К -20...+75 -10...+30 -10...+50
Диапазон задаваемых абсолютных температур излучателя, °C 5...100 — 5...100
Погрешность установки абсолютной температуры излучателя, °C 0,01 0,01 0,01
Однородность температур по апертуре излучателя, °C 0,01 Лучше, чем 0,1 при ДТ= 30 К Не более 2%
Временная нестабильность за 1 мин, °C 0,003 0,01 Не более 0,05
Габаритные размеры, мм 400x430x133 216x222x171 280x0160
Масса, кг 6 10 8
Диапазон окружающих температур, °C -10...+60 0...25 -10...+60
Для контроля температурного разрешения ИКС часто используется температурный
клин - медная шина с поглощающим покрытием, на концах которой установлены элек-
троподогреватели, нагревающие концы шины до различных температур. Температура
вдоль шины считается линейно изменяющейся от одного конца к другому. В отдельных
точках вдоль шины размещаются термодатчики, а на излучающую поверхность нано-
сятся риски с малым коэффициентом излучения, позволяющие получить отсчетную
шкалу [21].
Описанный в [120] эталонный источник TTRS (Thermoelectric Thermal Reference
Source), встраиваемый в ИКС, представляет собой однородно нагретую поверхность с
12.2. Аппаратура для стендовых оптических испытаний
297
высоким коэффициентом поглощения, используемую для калибровки и коррекции не-
однородности отдельных элементов МПИ и ФПУ. В состав TTRS входят также термо-
электрический холодильник/нагреватель и датчик температуры. Теплопроводность
излучающей поверхности TTRS очень высока, что способствует достижению равно-
мерности излучения. Источник может использоваться в составе ИКС, работающих в
диапазонах 3...5 и 8...12 мкм. Если конструкция TTRS герметизирована, то в ней
предусматривается окно из просветленного сапфира для X = 3...5 мкм или германия
для X = 8... 12 мкм. Наиболее рационально располагать излучающую поверхность в
плоскости зрачка объектива ИКС, благодаря чему каждый элемент МПИ облучается
равномерно, что снижает требования к однородности энергетической яркости по пло-
щади излучателя и ослабляет эффект Нарцисса.
Испытания TTRS показали, что его радиометрическая однородность оценивается
отклонениями 0,2...0,4°С при устанавливаемых температурах 82...86°С. Скорость ус-
тановления температуры излучающей поверхности при ее охлаждении и нагреве на не-
сколько десятков градусов у разных моделей TTRS изменялась от 2,25 до 7°С/с. Темпе-
ратура излучения контролируется платиновым резистором, сопротивление которого
при изменении температуры от 0 до -100°С меняется от 1000 до 611,8 Ом с крутизной
3,878 Ом/°С, а при изменении температуры от 0 до 100°С - от 1000 до 1375 Ом с кру-
тизной 3,75 Ом/°С.
В [153] описывается радиометрическая аппаратура MIRAGE, разработанная компа-
нией «Santa Barbara Infrared Inc.» для калибровки ИКС. В аппаратуре используется мат-
рица резисторных ИК-излучателей, состоящая из 512x512 элементов. Алгоритм быст-
рой коррекции неоднородности излучения отдельных элементов матрицы основан на
использовании ряда калибровочных таблиц, составляемых для каждого излучающего
элемента. Радиометрическая аппаратура, применявшаяся при калибровке, имела два
эталонных черных тела: одно обеспечивало диапазон температур О...ЮО°С с разреше-
нием и стабильностью порядка 0,001 °C, а другое - рабочий диапазон 50...600°С с раз-
решением и стабильностью 0,1 °C. Подробная методика измерений при калибровке
ИКС с помощью этой аппаратуры приводится в [153].
12.2.3 ИЗЛУЧАЮЩИЕ МАСКИ-ТРАНСПАРАНТЫ
I
Излучающие маски-транспаранты в виде растров и диафрагм различной формы и
размеров повторяют видимые угловые размеры и формы разнообразных целей и фо-
нов. Обычно они устанавливаются перед излучателем (ЧТ, лампой, нагреваемым или
охлаждаемым экраном и т.д.) и находятся в фокальной плоскости объектива коллима-
тора, что позволяет имитировать удаленные объекты (цели) и фоны (см. рис. 12.2,а).
В гл. 4 говорилось о двух типах испытательных мир: четырехполосной в виде сово-
купности вытянутых прямоугольников (полос) с отношением высоты к ширине 7:1 и
наборе равносторонних треугольников с различной ориентацией одной из вершин
(см. рис. 4.4).
298
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
а) б) в)
г)
д)
Рис. 12.4. Примеры испытательных мир:
а) трехполосная мира США f MIL-STD-
1250А); б) радиально-секторная «звездная
мира»; в) «прямоугольная» мира с линейно
меняющейся частотой штрихов;
г) «прямоугольные» четырехмерные миры
с пространственным фазовым сдвигом;
д) мира «System Image Analyzer» (США).
Другие формы растров, используемых в качестве мир (тест-объектов) при испыта-
ниях и исследованиях ИКС, приведены на рис. 12.4.
В [166] описан метод определения температурно-частотного разрешения ИКС с по-
мощью излучателя (излучающей маски) в виде двух параллельных линий (щелей), ос-
нованный на оценке контраста в изображении этих линий при изменении расстояния
между ними и их температуры. Контраст, или глубина модуляции, при оптимальном
взаимном расположении маски и МПИ (оптимальной пространственной фазе) измеря-
ется на выходе электронного тракта ИКС или на дисплее. При этом устраняется или ос-
лабляется такой существенный недостаток наиболее распространенного сегодня метода
определения ФПМ по полосной мире, как эффект наложения частот при превышении
частоты Найквиста (см. § 9.2). Несложно перейти от оценки разрешения в пространст-
венной форме (расстояние между линиями) к оценке пространственно-частотных ха-
рактеристик. Важно и то, что реализовать на практике этот метод проще, чем методы с
использованием полосной или другой миры.
В качестве таких масок часто применяют непрозрачные металлические пластины с
прорезями, повторяющими форму имитируемого излучателя, а также отражательные
транспаранты. К конструкции излучающих масок-транспарантов предъявляются специ-
фические требования. Хотя из тонких металлических пластин проще воспроизвести
сложную форму с достаточной точностью, однако для обеспечения хорошей теплопро-
водности и однородности излучения желательно воспользоваться пластинами большей
толщины. Сторона маски, обращенная к излучателю, должна быть хорошим отражателем
12.2. Аппаратура для стендовых оптических испытаний
299
(зеркалом), чтобы собственное излучение не искажало температурное поле, создаваемое
излучателем. Прорези с той же задней стороны маски должны иметь хорошо обработан-
ные фаски под достаточно большими углами, превышающими углы диаграммы направ-
ленности, создаваемой коллиматором в соответствии с угловым полем испытуемой ИКС.
Обычно такие маски-диафрагмы изготавливаются из меди или алюминия, обладаю-
щих хорошей теплопроводностью и обеспечивающих высокую однородность энергети-
ческой светимости. Для увеличения излучательной способности поверхность маски,
имитирующая цели и фоны, соответствующим образом обрабатывается.
Если требуется создать однородный излучающий фон, то, помещая имитирующий
этот фон излучатель (ИФ) вне фокальной плоскости объектива коллиматора, как это
показано на рис. 12.2,5, можно в результате расфокусировки уменьшить влияние ло-
кальных температурных неоднородностей ИФ. Такую отражательную маску можно
сменить гораздо быстрее, чем излучающую, для которой порой требуется значительное
время, чтобы достичь температурного равновесия по всей ее площади.
Для многих испытаний ИКС необходимо применять маски-транспаранты в виде
тест-объектов различной формы и периодичности. Поэтому конструкция транспарантов
должна обеспечивать достаточно быструю их смену. В таких случаях для учета или ис-
следования влияния на разрешение ИКС фазовых сдвигов (по ортогональным осям) и
поворота тест-объектов необходимо предусматривать в конструкциях оправ и других
устройств крепления масок возможность их смещения по ортогональным осям и пово-
рота вокруг оптической оси ИКС. Погрешность задания пространственной частоты
тест-объектов обычно не должна превышать 5%.
Трудности воспроизведения сложных малоразмерных рисунков в виде (ырезов, по-
вторяющих форму и видимые размеры многих реальных целей и фонов, привели к ис-
пользованию фотохимических методов травления и ряда методов электрообработки
тонких металлических пленок при изготовлении таких масок.
Очень важно выбрать такое крепление маски, чтобы его элементы не попадали в уг-
ловое поле испытуемой ИКС, а также обеспечить высокую чистоту и незапыленность
маски, помещение ее в изотермическую среду, т.е. надлежащие окружающие условия.
Как уже отмечалось, если необходимо высокое температурное разрешение в сотые и
тысячные доли градуса, то для компенсации изменений окружающей температуры в
составе имитатора следует использовать устройства контроля и регулировки темпера-
тур отдельных его блоков, часто не только излучателя, например ЧТ, но и маски-
транспаранта.
Ряд погрешностей задания малых разностей температур ДГ между имитаторами цели
и фона, обусловленных неточным совпадением рабочей температуры излучателя и тем-
пературы, характеризующей излучение прорезей в маске, можно устранить при «двусто-
ронней» установке имитируемой температуры Т: «снизу», со стороны немного меньших
температур Т- &Т, и «сверху» - со стороны более высоких температур Т + ДГ.
Полутоновые изображения излучателей (целей и фонов) можно обеспечить, протра-
вив в металлических масках большое число отверстий, размеры которых меньше пре-
дела разрешения испытуемых ИКС, или нанеся на прозрачную подложку совокупность
300 Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
не разрешаемых ИКС непрозрачных точек. Для этого часто используют освоенные в
полиграфии методы фотолитографии. Иногда на подложку наносят покрытия в виде
отдельных элементов, моделирующие структуру целей и фонов, причем излучательная
способность этих элементов отличается от излучательной способности материала под-
ложки. Поэтому при нагреве или охлаждении такой подложки рельеф поверхностной
плотности излучения (энергетической светимости) маски повторяет заданную структу-
ру поля объектов. Достоинством подобных методов является возможность размещения
в угловом поле нескольких моделей целей.
При одновременной имитации цели и фона с температурами Гц и 7ф при различных
излучательных способностях соответствующих масок ец и Сф окружающая среда с тем-
пературой Тс создает ложную составляющую сигнала, поступающего на вход испытуе-
мой ИКС. Действительно, если в соответствующих выражениях для энергетических
светимостей имитаторов цели и фона
M,(X,rp = ефЛ/е(Х,Гф) + (1 -ефЖ.(Х,Г.)
вторые слагаемые в правых частях описывают отраженное от масок излучение, созда-
ваемое окружающей средой, то разность между сигналами от имитаторов цели и фона
на входе испытуемой ИКС будет определяться выражением вида
ЛЛ/е = еХ(^Л)-ефЧ(^7’ц)-(еи -еф)Ме(Х,Гс).
Последний член правой части этой формулы характеризует методическую погреш-
ность измерений и должен учитываться при обработке их.
Аналогично можно получить формулу для методической погрешности, вносимой
коллиматором.
В отличие от излучающих масок-транспарантов рабочие поверхности отражатель-
ных масок (см. рис. 12.2,6) имеют больший коэффициент отражения. Такие маски по-
зволяют уменьшить вредное влияние изменений окружающей температуры и элемен-
тов стенда друг на друга. В стенде, основанном на их использовании, можно имитиро-
вать не только однородный по температуре фон, но и «пестрый», т.е. фон с произволь-
ной пространственно-температурной структурой.
В ряде стран ведутся работы по созданию инфракрасных проекторов, имитирующих
пространственно-температурную, а иногда и временную структуру пространственных
полей, просматриваемых ИКС. В таких проекторах функции излучателя, создающего
температурное поле, и маски, имитирующей пространственную структуру этого поля,
объединены в единой конструкции - излучающем экране.
Известны конструкции, где большое число малогабаритных нагревательных элемен-
тов, например нихромовых проволочных, размещается равномерно по достаточно
большой площади, определяющей угловое поле коллиматора. Структуру излучающего
поля можно выбрать, создав пространственно распределенную и адресно управляемую
систему электрического питания отдельных элементов.
12.2. Аппаратура для стендовых оптических испытаний
301
Иногда в таких устройствах используют мозаичные излучающие табло, состоящие
из отдельных малоразмерных источников с независимо изменяемыми энергетическими
параметрами. Управляя набором (количеством и расположением) излучающих ячеек
такого табло (экрана) и применяя соответствующие коллиматоры, можно формировать
достаточно сложные модели фонов.
В [10] описана конструкция имитатора поля инфракрасного излучения, основанная
на использовании сплошного резистивного покрытия - электропроводящей эмали. Не-
обходимое распределение энергетической яркости создается адекватной топологией
токопроводов и распределением на них соответствующих номиналов электрических
потенциалов. Кроме того, плотность электрической, а следовательно, и тепловой мощ-
ности можно менять, изменяя толщину электропроводящего покрытия или вводя до-
полнительные замыкающие элементы различной конфигурации.
В [10] описаны и другие конструкции имитаторов, основанные на использовании как
тепловых (в виде экранов) или оптических аппликаций - масок, выполненных из неэлек-
тропроводящих красок с различными коэффициентами излучения, так и мозаик из нагре-
вательных элементов. Тепловые аппликации создаются на однородном электрическом
(излучающем) фоне путем размещения над ним масок для имитации объектов с меньшей,
чем у фона, температурой и дополнительно подогреваемых элементов для имитации объ-
ектов с большей, чем у фона, температурой. Мозаики могут иметь независимое электро-
питание отдельных нагревательных элементов либо представлять собой печатную плату,
на поверхность которой нанесен слой электропроводящей эмали постоянной толщины с
диэлектрическими зазорами по границам раздела имитируемых объектов. Печатные пла-
ты могут располагаться в одной.или нескольких плоскостях с учетом рельефа модели-
руемой местности. Последняя конструкция позволяет воспроизводить быстрые измене-
ния яркости фона и расположенных на нем объектов за счет быстрой коммутации нагре-
вательных элементов и изменения подводимой электрической мощности.
Для обеспечения натурных (полигонных) испытаний ИКС в реальной фоно-
целевой обстановке разрабатываются специальные комплексы. В табл. 12.2 приведе-
ны технические характеристики двух отечественных тепловизоров-радиометров, со-
ставляющих основу таких комплексов, разработанных в Федеральном научно-
производственном центре «Государственный институт прикладной оптики» (ФНПЦ
«ГИПО») [8, 155].
В качестве полевых тест-объектов могут использоваться разнообразные мишени-
имитаторы целей и фонов. Так, активная разборная маневренная мишень, созданная ФНПЦ
«ГИПО», набирается из 14 элементов одинаковых размеров, гидравлически соединенных
между собой в параллельные пары холодного и теплого типа с регулируемыми температу-
рами [8]. Каждый элемент состоит из алюминиевых бачков размерами 575x160x50 мм, за-
полняемых смесью этиленгликоля с водой. Комбинируя коллекторы и вентили этих бачков,
можно создать двух-, четырех- и семиштриховую (семипериодную) миры с диапазоном
изменения температуры штрихов -12...+17°С при относительной влажности воздуха до
90% и скорости ветра до 15 м/с. Мишень монтируется на транспортировочной раме, где
располагаются также агрегаты электропитания (2,5 кВА) и контроля температуры.
302
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
Таблица 12.2
Технические характеристики тепловизоров-радиометров
Основные технические характеристики 1ПН88 «Искра» «Искра-М»
Спектральный диапазон, мкм Диапазон измеряемых разностей температур, К Пороговая чувствительность и разности радиационных температур, К Угловое поле обзора, угл. град Длина трассы, м Температура окружающей среды при эксплуатации, °C 8,0... 14,0 0,5...30 0,1 20x20 1,5...50 -10...+40 8,0... 14,0 0,15...30 0,05 14x20; 7x10; 2x3 10... 1500 -10...+40
12.2.4. КОЛЛИМАТОРЫ
Коллиматор предназначен для имитации расположения излучателей в бесконечно-
сти. К объективу коллиматора, являющегося его основным элементом, предъявляется
ряд требований:
- диаметр выходного зрачка Т)кол должен быть больше диаметра входного зрачка ис-
пытуемой системы, чтобы не допустить попадания на него излучения посторонних ис-
точников;
- аберрации объектива коллиматора должны быть гораздо меньше аберраций объек-
тива испытуемой ИКС, чтобы оптическая передаточная функция (ОПФ) коллиматора
как можно меньше влияла на определяемые ОПФ и ДТР (МРРТ) испытуемой системы.
Для этого диафрагменное число объектива f'KWIDKm коллиматора выбирают гораздо
большим диафрагменного числа объектива ИКС (с учетом предыдущего требования
обычно в 5... 10 раз);
- в случае испытаний ИКС с большим угловым полем для исключения попадания в это
поле посторонних излучений объектив коллиматора должен дополняться блендой или диа-
фрагмой, перекрывающей это поле и имеющей температуру моделируемого фона;
- спектральная характеристика пропускания объектива коллиматора должна быть
согласована со спектральным рабочим диапазоном испытуемой ИКС.
Даже при использовании зеркальных объективов коллиматоров, которые часто
имеют параболические поверхности, не вносящие сферические аберрации, защитные
покрытия зеркал, расположенных под углом к оптической оси объектива, из-за поля-
ризации излучения могут снижать коэффициент отражения в определенных участках
спектра. Так, в [144] приводится спектральная характеристика отражения потока от
алюминированного зеркала, наклоненного к оси падающего на него пучка под 45° и
имеющего защитное покрытие-пленку SiO (рис. 12.5). Видно, что в диапазоне 8...9 мкм
спектральный коэффициент отражения зеркала селективен и гораздо меньше коэф-
12.2. Аппаратура для стендовых оптических испытаний
303
фициента отражения на других участках
спектра.
Несмотря на достаточно большие значе-
ния коэффициента отражения зеркал в ИК-
диапазоне спектра имитатора, в конструкции
которого присутствуют несколько зеркал, ин-
тегральный коэффициент пропускания т0 объ-
ектива может быть заметно меньше единицы
(до 0,8...0,85). Это важно учитывать, по-
скольку эффективная разность температур
к, мкм
Рис. 12.5. Зависимость спектрального
коэффициента отражения рх
алюминированного зеркала с защитным слоем
SiO2 от длины волны X при падении лучей на
зеркало под углом 45° [143].
имитаторов цели и фона ДГц-ф, устанавливае-
мых на «входе» коллиматора, на выходе его
объектива будет составлять АТ^х = Д7ц_ф т0.
Желательно, чтобы при определении т0
спектральная характеристика испытательной
аппаратуры совпадала со спектральной харак-
теристикой испытуемой ИКС или, по край-
ней мере, была известна для проведения требуемого пересчета.
Поскольку размер du маски - имитатора цели или фона - может быть достаточно
большим, может оказаться значительной и расходимость пучка лучей на выходе объек-
тива коллиматора с фокусным расстоянием/'кол (рис. 12.6).
Чтобы уменьшить влияние виньетирования, приводящего к искажению распреде-
ления освещенности в изображении маски по угловому полю испытуемой ИКС, целе-
сообразно входной зрачок объектива ИКС диаметром D располагать как можно ближе
к выходному зрачку объектива коллиматора диаметром £)кол. По мере увеличения
расстояния Si между этими зрачками в результате виньетирования освещенность в
изображении маски-имитатора цели или фона, которое строит объектив ИКС, падает
по угловому полю ИКС, а в случае, если расстояние между зрачками S) превысит
/'кол (^кол + D)ldH, объектив ИКС будет строить изображение не всей маски, а только
ее центральной части. В [144] рекомендуется выбирать это расстояние не более
S] =/'кол фкол + D)!dK, однако при этом следу-
ет учитывать падение освещенности, возни-
кающее из-за виньетирования и приводящее к
искажению имитируемой картины в угловом
поле испытуемой ИКС.
В конструкции коллиматора предусматри-
вают устройства для юстировки отдельных оп-
тических компонентов, включая маску, уже
упоминавшиеся бленды, а также компенсаторы
термоаберраций и расфокусировки, возникаю-
щих из-за возможных изменений окружающей
температуры во время испытаний.
Рис. 12.6. Принципиальная оптическая схема
стенда для испытаний ИКС
Таблица 12.3
ИК-коллиматоры ФНПЦ «ГИПО» для стендовых испытаний
Параметр к-зм Колибри Колибри-М Орхон ВЭ-1227 НСИ-К нси-км и его модификации НСИ-КМУ, НСИ-КМТ АЛСУ
Спектральный 0,4... 12,0 0,4... 12,0 0,4... 12,0 0,4...2,0 3,0...15,0 0,4... 12,0 0,4... 12,0 0,4... 12,0
диапазон, мкм Фокусное расстояние, мм 500 500 500 1500 3840 1500 1500 2000
Световой диаметр 100 100 100 200 190 200 200 200
объектива, мм Периоды штрихов тест-объекта, мрад 0,5...2,0 0,5...2,0 0,5...2,0 0,5... 5,0 0,27... 5,65 0,2...5,0 0,2...5,0 0,2...5,0
Диапазон задаваемых АГ, К 1,18...3,9 1,18...3,9 0,5...4,0 0,2...28 -5...10 ±20 -10...20 -10...20
Погрешность стабилизации ДГ, К, не более 0,35 0,35 0,05 0,1 0,02 0,03 0,03 0,03
Непараллельность оптических осей инфракрасного и 13 13 13 15 — 10 10 3
видимого каналов, угл. с, не более Температура окружающей среды при эксплуатации, °C ±50 ±50 ±50 -15...40 25 ±5 ±50 ±50 -
304_______Глава 12. Испытания и исследования инфракрасных систем «смотрящего» типа
Сравнительные характеристики комплексов для проверки ИКС
Таблица 12.4
Параметр Коллимированный дифференциальный источник. Модель 6693 («Electro Optical Industries, Inc.», США) Электронно-оптический тестер промежуточного уровня ILET-90 (CI Systems, Израиль) Стенд измерительный ВЭ-1227 (ГИПО) Стенд измерительный НСИ-К (ГИПО)
Тип коллиматора Внеосевой, отражательный Внеосевой, отражательный Линзовый Внеосевой, отражательный
Спектральный диапазон, мкм 0,4...14 0,4... 14 3...15 0,4...14
Фокусное расстояние, мм 1778 1016 3840 1500
Световой диаметр объектива, мм 355,6 177,2 190 200
Угловое поле, угл. град — 0 1,6 (0 3 со снижением качества по краям) Не менее 6x7,5 0 1,0 (0 2,6 со снижением качества по краям)
Оптическое разрешение 0,05 мрад на оси Дифрационно- ограниченное в угловом поле 0 1,6 и А, = 8 мкм 0,25 мрад Дифракционно- ограниченное в угловом поле 0 1,0 и А. = 10 мкм
Диапазон рабочих тем- ператур, °C — 0...+50 25±5 -50...+50
Диск с тест-объектами Ручная установка (4 тест-объекта) Моторный привод на 12 позиций Ручная установка (6 тест-объектов) Моторный привод на 2 диска по 8 позиций
Периоды штрихов тест- объектов, мрад 0,085... 1,0 — 0,27... 5,65 0,2...5,0
Диапазон разности тем- ператур черного тела, К -10...+10 -20...+75 -5...+10 -20...+20
Погрешность стабилиза- ции АД К, не более ±0,01 0,013 (-5°С< АТ <+5°С) + 0,02 (0,5 К<АТ<1,5 К) £±0,05 (-2°С < АТ <+2°С)
Излучательная способ- ность тест-объектов - 0,97 ± 0,02 >0,95 >0,93
Источники питания 220 В, 50 Гц, 300 Вт 230/115 В, 50/60 Гц, 400 Вт 220 В, 50 Гц, 100 Вт 220 В, 50 Гц
Габаритные размеры, мм 457x762x1425 1200x360x340 600x1200x5000 735x616x337
Масса, кг 120 30 — 80
12.2. Аппаратура для стендовых оптических испытаний
306
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
Несмотря на то, что стендовые испытания ИКС проводят в лабораторных условиях на
сравнительно коротких трассах, из-за высоких требований к температурному разреше-
нию как стендов, так и испытуемых систем, т.е. к регистрируемым малым температур-
ным приращениям А Г, необходимо знать коэффициент пропускания среды на этих
трассах, а также учитывать его изменения при испытаниях.
В заключение приведем данные об инфракрасных коллиматорах, разработанных
ФНЦП «ГИПО» для стендовых испытаний различных ИКС (табл. 12.3), а также харак-
теристики четырех комплексов для проверки ИКС, разработанных у нас в стране и за
рубежом (табл. 12.4) [8, 151, 155].
12.2.5. СИСТЕМЫ СЧИТЫВАНИЯ
Получаемые в процессе испытаний данные могут быть представлены в виде анало-
гового или цифрового сигнала или в виде изображения на экране монитора, оценивае-
мого визуально либо с помощью микрофотометра. Очевидно, что параметры и характе-
ристики систем считывания информации с выхода испытуемой ИКС не должны иска-
жать результаты испытаний, т.е. значения параметров и характеристик ИКС. Для этого
нужно тщательно подбирать параметры систем считывания, следя за их надлежащим
соответствием параметрам испытуемых систем. Обязательна тщательная калибровка
всех элементов системы считывания (преобразователей сигналов, мониторов, микрофо-
тометров и др.). Так, полоса пропускания частот испытательной аппаратуры должна
превышать полосу пропускания испытуемой ИКС. Иногда для согласования ширины
полосы пропускания СОИ ИКС и монитора, используемого в испытательной аппарату-
ре, в электронный тракт этой аппаратуры приходится вводить специальный фильтр.
Частота считывания сигналов с выхода ИКС должна превышать частоту выборки
сигналов, присущую ИКС, чтобы не допускать нежелательных сигналов на выходе ис-
пытательной аппаратуры, например фазового сдвига изображения периодической
структуры - многоэлементной испытательной миры.
Во избежание сжатия или растяжения выходного изображения по одной или обеим
осям координат необходимо обеспечивать соответствие формата изображения, созда-
ваемого ИКС, формату выходного монитора либо другого устройства считывания или
записи видеосигналов испытательной установки.
Очень важно следить за диапазоном линейности получаемых с выхода ИКС сигна-
лов и его соответствием линейности характеристик преобразования (статических ха-
рактеристик) отдельных блоков системы считывания, например аналогового видеовы-
хода, цифрового осциллографа, микрофотометра, монитора, включая сюда и зритель-
ный аппарат человека-наблюдателя.
12,3. Важнейшие показатели качества ИКС «смотрящего» типа 307
12.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ВАЖНЕЙШИХ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ИКС «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
12.3.1. ПЛОСКОСТЬ НАИЛУЧШЕГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Определение плоскости наилучшего изображения, в которую необходимо помещать
чувствительный слой МПИ, называется также фокусировкой объектива ИКС. Эта юс-
тировочная операция важна сама по себе, а кроме того, она предшествует определению
важнейших показателей качества ИКС, характеризующих пространственное, энергети-
ческое и температурное разрешение системы.
Для фокусировки стенд, включающий источник излучения, тест-объект, коллима-
тор, а также испытуемую ИКС, следует размещать на стабилизированном, изолирован-
ном от возможных вибраций основании, чтобы получить изображение тест-объекта
наилучшего качества (обычно это соответствует достижению максимально возможного
пространственного разрешения). Фокусировка может проводиться различными спосо-
бами: визуально по стандартным мирам, по уровню амплитуды аналогового видеосиг-
нала, с использованием функции передачи модуляции (ФПМ), по граничной кривой.
Особенности некоторых способов фокусировки подробно описаны в [21, 144].
Поскольку разрешение может быть функцией формы и размера тест-объекта, а так-
же освещенности его изображения, следует стремиться к тому, чтобы все блоки, вхо-
дящие в схему испытаний (стенд, ИКС, система считывания сигналов с выхода ИКС),
работали в линейном режиме, т.е. в пределах линейных зон их характеристик преобра-
зования.
Важно исключить нежелательные фазовые эффекты, возникающие при неправиль-
ной ориентации тест-объекта (излучающей маски) относительно осей системы коорди-
нат, в которой работает испытуемая ИКС, а также при несоответствии структуры тест-
объекта частоте выборки сигнала (частота Найквиста), присущей ИКС.
При определении положения фокальной плоскости по максимуму амплитуды видео-
сигнала и по максимальной крутизне граничной кривой необходимо обеспечить цен-
трировку малоразмерного изображения точечного тест-объекта относительно чувстви-
тельного элемента приемника, с которого снимается сигнал.
12.3.2. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Чувствительность ИКС обычно определяется как зависимость изменения аналогово-
го сигнала Квых или его приращения, образующегося на выходе оговоренного звена
электронного тракта, от изменения температуры источника (черного тела) ДТ, по кото-
рому калибруется система. Часто чувствительность выражают как крутизну передаточ-
ной функции сигнала, описывающей зависимость разности выходных сигналов, созда-
ваемых целью и фоном, температуры которых различаются на ДТ, от этой разности
температур, которая может быть как положительной, так и отрицательной. Эта зависи-
308
Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
мость позволяет найти динамический диапазон системы, линейность характеристики
преобразования ДКВЫХ =/(Д7), коэффициент преобразования (крутизну характеристики
преобразования), уровень насыщения, т.е. значения температуры источника, при кото-
ром выходной сигнал Квых перестает расти. Со стороны малых сигналов зависимость
ДКВЫХ = АДТ) ограничена уровнем шумов, присущих ИКС или измерительной аппара-
туре (см. п. 12.3.3). Обычно этим уровнем является ДТП (ЭШРТ) системы, однако для
цифровых систем им может быть бит аналого-цифрового преобразователя.
При определении чувствительности размер марки (тест-объекта) обычно остается
постоянным, а меняется интенсивность излучения. Поскольку сигнал на выходе прием-
ника излучения зависит от потока Фе, поступающего на его чувствительный слой, а сам
поток связан с изменением температуры Т нелинейной зависимостью (см., например,
закон Планка), это следует учитывать при нахождении и оценке зависимости
ДКВЬ1Х Зная температуру излучателя и спектральные характеристики отдельных
элементов стенда и испытуемой ИКС, можно пересчитать образующуюся на выходе за-
висимость ДКВЫХ =/(Фе) к требуемому виду ДКВЫХ =]\ДТ).
Чувствительность, как и разрешение, может меняться по угловому полю системы,
например, из-за изменения облученности, пропорционального четвертой степени коси-
нуса угла между оптической осью и направлением на выбранный элемент приемника.
Если чувствительность определяется путем измерения сигналов, снимаемых с п эле-
ментов МПИ, следует учитывать их неоднородность, т.е. геометрический шум, и рас-
считывать средние значения
Уди .
ВЫХ I
дг = —----------,
вых ср ’
п
причем иногда приходится учитывать возможный разброс ДТ,, т.е.
ДТ =2-------.
п
Аналогичным образом необходимо принимать во внимание изменения крутизны на-
клона характеристики преобразования, обусловленные различиями коэффициентов
усиления отдельных каналов ФПУ («чувствительный элемент приемника - схема счи-
тывания - предварительный усилитель»). В ИКС «смотрящего» типа весь двумерный
приемник равномерно облучается потоком, приходящим от источника с температурой
Ti, а сигналы Vxy, снимаемые с каждого чувствительного элемента, осредняются по NK
кадрам, чтобы уменьшить уровень шума. В результате приходится рассчитывать сред-
нее значение
•'VK »=|
12,3. Важнейшие показатели качества ИКС «смотрящего» типа 309
Затем этот процесс повторяют для различных значений облученности на чувстви-
тельном слое МПИ, т.е. вычисляют чувствительность каждого элемента. Измеренные
коэффициенты усиления каждого канала ФПУ могут быть использованы для учета или
компенсации их неоднородности.
Чувствительность даже однотипных систем может изменяться от одного образца
ИКС к другому, что может быть вызвано различиями их спектральных характеристик и
коэффициентов усиления электронных трактов, а также и рядом других причин, вплоть
до изменения температуры и влажности в лаборатории, где производились испытания.
Для получения сигналов, близких к уровню насыщения, необходимо, чтобы размеры
изображения тест-объекта в плоскости чувствительного слоя приемника были доста-
точно большими. Так, стандарт США VIK-STD-1859 рекомендует иметь тест-объект,
занимающий 10% всего углового поля ИКС, но не менее, чем в 10 раз превышающий
телесный угол, стягиваемый одним пикселом МПИ. Идеальной считается ситуация, ко-
гда тест-объект, имитирующий цель или фон, полностью заполняет все угловое поле
ИКС, в которое не попадает излучение посторонних источников.
Небольшие размеры изображения тест-объектов, имитирующих многие реальные
цели, ограничивают число пикселов МПИ, участвующих в усреднении снимаемых с
них (с отдельных каналов ФПУ) сигналов. Это нужно для снижения уровня шума и
увеличения тем самым динамического диапазона характеристики преобразования
АКВЫХ =/(А7) за счет уменьшения Д7П.
Если тест-объект или его элемент создает изображение, не превышающее размеры
чувствительного элемента МПИ, то можно изменять размеры тест-объекта, оставляя
постоянной его температуру. Таким образом измеряют так называемую апериодиче-
скую передаточную функцию (АПФ), т.е. зависимость выходного сигнала (или норми-
рованного его значения) от площади тест-объекта Ато. Идеальная АПФ линейно возрас-
тает до тех пор, пока ее аргумент - площадь изображения или угловой размер тест-
объекта - не станет равным площади пиксела МПИ или стягиваемому этой площадью
углу. Далее с ростом Ато значения АПФ остаются постоянными. Реальная АПФ имеет
вид монотонно возрастающей кривой, асимптотически приближающейся к постоянно-
му значению АПФ, соответствующему насыщению выходного сигнала. При измерении
АПФ угловые размеры тест-объектов (кругов, квадратов) изменяются в пределах 0,1 ...5
угловых размеров пиксела МПИ. Графики АПФ обычно нормируют, приводя макси-
мальное значение выходного сигнала к единице.
Перед определением параметров и характеристик, описывающих чувствительность
ИКС, например крутизны зависимости АГВЫХ - апериодических передаточных
функций, полезно их вычислять, например, по формулам, приведенным в гл. 5, с уче-
том спектральных характеристик стенда и испытуемой системы. Затем можно перейти
к экспериментальному определению этих параметров и характеристик, учитывая (или
отключая) систему автоматической регулировки усиления (АРУ) и принимая во внима-
ние отмеченные особенности стенда и другой испытательной аппаратуры.
310 Глава 12, Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
12.3.3. ШУМЫ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ РАЗРЕШЕНИЕ
В § 7.3 рассматривались различные составляющие шума, имеющего место в ИКС
«смотрящего» типа, и кратко описывалась их трехмерная модель. Высокочастотные со-
ставляющие этой модели, к которым относятся временные шумы, можно отделить от
низкочастотных (пространственных) составляющих путем фильтрации шумовых сиг-
налов в схеме считывания испытательного стенда. Устанавливая на аналоговом выходе
испытуемой ИКС фильтр высоких частот и усредняя большое число кадров, образую-
щихся при равномерной облученности МПИ, можно свести к минимуму временные со-
ставляющие шума, т.е. уменьшить их в число раз, пропорциональное корню квадрат-
ному из числа усредняемых кадров. Затем можно вычитать усредненное, соответст-
вующее геометрическому шуму МПИ, значение сигналов, создаваемых при опросе каж-
дого кадра. Образующаяся разность представляет собой среднюю квадратическую со-
ставляющую Gtyx трехмерного шума.
Простейшим способом измерения геометрического шума является накопление и ус-
реднение сигналов, соответствующих большому числу равномерно облученных кадров
(порой более 100), и пропускание усредненного сигнала через фильтр высоких частот.
Спектр шумового сигнала, соответствующего низкочастотной неоднородности чув-
ствительности отдельных элементов МПИ и ФПУ, определяется по аналогичной схеме.
Для этого на аналоговом выходе испытуемой ИКС можно установить звено, усред-
няющее сигналы по многим кадрам, а за ним - отсекающий фильтр низких частот. Как
и при измерении влияние временного шума на результат измерения уменьшается
за счет усреднения шумовых сигналов по большому числу кадров.
Составляющая общего шума, характеризующая геометрический шум, не должна
зависеть от коэффициента усиления электронного тракта, т.е. определяется для линей-
ного режима работы системы. Относительное значение геометрического шума опреде-
ляется как csyx/Scp, где Sep - статистическое среднее значение модели трехмерного шума
(см. § 7.3). Иногда при работе с отсечкой низкочастотных составляющих шума относи-
тельное среднее квадратическое значение геометрического шума рассчитывают после
измерения ДТП и чувствительности АУВЬ№/АТкак аготн = = [о>Л/(ДКВЬ1х/Д7)]/ДГп.
Геометрический шум может определяться для различных значений облученности
либо на входе системы, либо на чувствительном слое МПИ.
Пороговая энергетическая чувствительность ИКС чаще всего характеризуется экви-
валентной шуму разностью температур ЛТП, которая измеряется при равномерной об-
лученности входного зрачка ИКС или чувствительного слоя МПИ. Для достижения
равномерной облученности перед испытуемой системой (или МПИ) можно установить
непрозрачный равномерно излучающий экран или использовать черное тело с доста-
точно большой площадью излучающего отверстия.
Значение ДГП можно рассчитать по формуле (5.33) или определить как
Д7п = atyX/(&VBbK/&T),
где ДКВЫХ/ЛГ- крутизна характеристики преобразования (чувствительность) ИКС.
12.3. Важнейшие показатели качества ИКС «смотрящего» типа
311
Основными этапами определения ДТ^ могут быть:
- тщательная юстировка и настройка стенда, предусматривающая выбор надлежа-
щего коэффициента усиления сигнала, при котором система будет работать в линейном
режиме;
- выделение отдельных составляющих шума для учета только тех из них, которые
будут иметь место в условиях работы ИКС;
- вычисление Д7П для различных значений равномернбй облученности на входном
зрачке ИКС или на чувствительном слое МПИ.
12.3.4. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗРЕШЕНИЕ
В настоящее время, как уже отмечалось в гл. 4, существуют различные критерии
пространственного разрешения (критерий Рэлея, размер диска Эри, размер кружка рас-
сеяния, размер одного пиксела приемника излучения и др.). В п. 4.2.1 определялись
важнейшие параметры и характеристики ИКС, с помощью которых оценивается про-
странственное (геометрооптическое) разрешение системы. Там же кратко описывались
условия, при которых находят простейшие из этих показателей: предел углового раз-
решения, угловое разрешение, угловая ширина разрешения.
Методы определения разрешающей способности ИКС зависят от выбранного или
заданного критерия разрешения. Возможны чисто расчетные методы, например вычис-
ление угла, стягиваемого элементом приемника излучения, или частоты Найквиста (см.
гл. 9). Экспериментальные методы основаны на использовании специальных мир (см.,
например, рис. 12.4.).
Если определять разрешение системы N по радиально-секторной звездной мире, то,
измеряя диаметр dp„ центрального размытого изображения (на рис. 12.4,6 это - темная
область вокруг центра растра) и зная число тр периодов растра, с некоторым прибли-
жением можно получить для линейного разрешения (в периодах на миллиметр)
или в угловой мере (в периодах на радиан)
Ny — mpf кол/(ТС<7рИ),
где/'кол - фокусное расстояние объектива коллиматора.
Поскольку многие критерии пространственного разрешения зависят от ряда изме-
няющихся факторов, например от размеров и закона распределения освещенности в
кружке рассеяния, которые меняются по угловому полю объектива ИКС, часто опреде-
ляют так называемое средневзвешенное разрешение по площади всего многоэлемент-
ного приемника (по всему угловому полю или какой-то его части).
Наибольший интерес для разработчиков и пользователей ИКС представляет оптиче-
ская передаточная функция (ОПФ) и особенно ее модуль - функция передачи модуля-
ции (ФПМ), аргументами которых являются пространственные частоты.
312 Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
Для расчета ФПМ можно использовать два основных способа: непосредственное
измерение контраста в изображении периодических структур (мир с синусоидальным
или прямоугольным законом изменения яркости) и получение импульсной реакции
системы (реакции на воздействие, близкое к дельта-функции) с последующим ее пре-
образованием по Фурье [21, 60, 144, 276]. Разновидностью последнего способа можно
считать определение переходной функции системы — реакции на ступенчатое входное
воздействие в виде оптической полуплоскости (оптического ножа) с последующим
дифференцированием и Фурье-преобразованием этой функции. При этом число выбо-
рок сигнала должно быть достаточно большим, чтобы минимизировать влияние фазо-
вых эффектов, возникающих при выборке (см. гл. 9).
Структурная схема установки для определения ФПМ этими способами остается од-
ной и той же (см. рис. 12.3). Изменяется лишь вид тест-объекта, которым может быть
периодическая структура (мира), отверстие малого размера (точечный излучатель) или
узкая щель, оптическая полуплоскость - транспарант с резкой границей прозрачной и
непрозрачной (излучающей и «неизлучающей») частей. Кроме того, соответственно
изменяется вид обработки сигнала в системе считывания или на выходе электронного
тракта установки.
Пространственная частота мир (тест-объектов), используемых при первом способе
определения ФПМ, не должна превышать частоту Найквиста Уц, свойственную испы-
туемой ИКС, иначе начнут сказываться побочные частоты, возникающие при выборке
изображения многоэлементным приемником (МПИ) и накладывающиеся на основные
гармоники. При втором способе рекомендуется иметь угловой размер точечного излу-
чателя или цели не более 0,1 угла, стягиваемого элементом МПИ, т.е. 2соэ. При очень
малых размерах этих излучателей трудно обеспечить требуемое для измерений отно-
шение сигнал-шум, так как поток излучения, проходящий через отверстие или щель,
становится очень малым.
Для учета влияния фазовых сдвигов на вид ФПМ систем с МПИ можно воспользо-
ваться двумя методами. Во-первых, можно перемещать точечный, а также щелевой из-
лучатели или ножевую диафрагму (оптическую полуплоскость) так, чтобы их изобра-
жения попадали на разные части пиксела МПИ (элемента чувствительного слоя), т.е.
менять пространственную фазу изображения тест-объекта относительно пиксела МПИ.
Зафиксировав максимум выходного сигнала (импульсной реакции) для какого-то по-
ложения миры, можно смещать ее на доли периода расположения пикселов МПИ и по-
лучать выходные сигналы для соответствующих фазовых сдвигов. Совокупность вы-
ходных сигналов дает график импульсной реакции системы.
Во-вторых, можно использовать миру с переменным периодом расположения ее
элементов, например состоящую из отдельных «точечных» излучателей (квадратов или
линий), каждый из которых смещен на свою долю периода расположения по отноше-
нию к пикселам МПИ (см. например, рис. 12.4,г). Элементы миры должны быть строго
ориентированы (параллельны) относительно элементов МПИ. Их размеры обычно не
должны превышать 0,1 размера пиксела МПИ. Преобразование Фурье сигналов, сни-
маемых с МПИ, дает ФПМ системы.
12.3. Важнейшие показатели качества ИКС «смотрящего» типа
313
При описанных измерениях очень важно учитывать и устранять возможную неод-
нородность чувствительности элементов МПИ, которая искажает вид сигналов, исполь-
зуемых для получения ФПМ и ФПФ. Другой причиной искажений получаемых резуль-
татов может быть нелинейность зависимости выходного сигнала ДИВЫХ от изменения
температуры излучателя ДТ (тест-объекта). Поэтому измерениям ФПМ может предше-
ствовать определение зависимости ДЕвЫХ/ДТ, чтобы обеспечить измерение ФПМ в ли-
нейном диапазоне этой зависимости.
Если рассматривать всю систему, представленную на рис. 12.1, состоящей из звень-
ев (тест-объект, коллиматор, ИКС, система считывания сигналов), работающих в ли-
нейном режиме и инвариантных к линейным сдвигам, то на выходе системы ФПМ
<эВЫх(Л) можно представить в виде произведений ФПМ этих звеньев:
^х(А) = сто(А)^(А)<?икс(А)^(Л) >
где GTO, Ск, Сикс» Ссс - ФПМ соответственно тест-объекта, коллиматора, испытуемой
ИКС и схемы считывания сигналов.
Отсюда искомая ФПМ испытуемой ИКС
^икс С/1) ~
сто(Л)^(Л)^(Л)’
Для тест-объекта в виде щели шириной Ду функция СТО(Л) = sin(nAy /х)/(лДу fx~) и ее
влияние на вид СВЫХ(Д) увеличивается по мере увеличения Ду. Иными словами, жела-
тельно иметь тест-объект меньшего размера.
Если размер выходного зрачка коллиматора превышает размер выходного зрачка
ИКС, часто принимают ФПМ коллиматора СК(Д) = ' в рабочей полосе пространствен-
ных частот fx. Аналогичное значение часто приписывается ФПМ схемы считывания,
если выходной сигнал оценивается в аналоговой форме (отсутствует выборка сигнала
при его оцифровке), т.е. Gcc(fx) = 1.
Напомним, что пространственную частоту fx, измеряемую в периодах на радиан,
преобразуют во временную (электрическую) частоту / измеряемую в герцах, при из-
вестной скорости просмотра углового поля v в радианах на 1 с по известной формуле
/= V/.
Иногда ФПМ определяют только для одной пространственной частоты /, называе-
мой нулевой, причем/» = 1/(2соэ). При коэффициенте заполнения МПИ dJX3 = 1 эта час-
тота равна частоте Найквиста/, т.е./ =/ (см. рис. 9.4).
Для систем, работающих в достаточно широком спектральном диапазоне и обла-
дающих хроматизмом, ФПМ зависит от длины волн, что следует учитывать при ее экс-
периментальном определении.
Помимо влияния на выходной сигнал выборки, выполняемой МПИ, при нахождении
ФПМ необходимо учитывать выборку сигнала, осуществляемую в электронном тракте
испытательного стенда, например в АЦП системы считывания и обработки сигналов
314 Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
(см. рис. 12.1). Для уменьшения вредного влияния фазовых эффектов, возникающих
при выборке отдельных значений импульсной реакции испытуемой системы, тактовая
частота АЦП может быть очень большой (до 100 МГц и более) [144]. Другим блоком
испытательной аппаратуры, к которому по той же причине предъявляются повышен-
ные требования, является система считывания информации с выхода испытательного
стенда, например с монитора.
Как уже отмечалось, очень важно стабилизировать положение излучателя, тест-
объекта, коллиматора и испытуемой ИКС, т.е. исключить влияние вибрации и других
механических воздействий на стенд в процессе испытаний. Если это не сделано, ре-
зультаты измерений ФПМ и ФПК могут быть весьма недостоверными. То же самое
следует сказать о шумах в электронных звеньях испытательной установки, которые
следует сводить к минимуму, поскольку для нахождения ФПМ часто требуется обеспе-
чивать отношение сигнал-шум более 500 [144].
Учитывая, что при определении ФПМ на достаточно больших пространственных
частотах, которые характеризуют предельное геометрооптическое разрешение ИКС,
уровни сигналов весьма малы, важно свести к минимуму уровень шума (шумовой
пьедестал), уменьшить, по возможности, случайную составляющую шумов, найти
спектр шума (спектральную плотность мощности шума в полосе частот, где работает
система).
12.3.5. ТЕМПЕРАТУРНО-ЧАСТОТНОЕ РАЗРЕШЕНИЕ
Как отмечалось в п. 4.2.3, температурно-частотное (температурно-пространствен-
ное) разрешение ИКС чаще всего обусловлено такими параметрами и характеристика-
ми, как минимальная разрешаемая разность температур АТр и минимальная обнаружи-
ваемая разность температур АГ^, а также их зависимостями от пространственной час-
тоты, т.е. от размеров или пространственных периодов тест-объектов (мир). Там же (в
п. 4.2.3) указывались некоторые особенности их определения. На низких и средних
пространственных частотах, когда зрительный аппарат человека работает как обнару-
житель достаточно резких перепадов яркости (краев изображения), эти величины прак-
тически совпадают.
Для ИКС «смотрящего» типа при определении АГр и АТор, как и при определении
ФПМ, следует помнить о возможности возникновения побочных пространственных
гармоник (паразитных биений) при превышении частоты Найквиста^ и фазовых эф-
фектах, влияющих на выходной сигнал. Обычно в области пространственных частот
ниже Tn эти эффекты неощутимы, особенно если число полос испытательной миры дос-
таточно велико.
На частотах, составляющих 0,6... 0,9, значения Tn, в спектре выходного сигнала по-
являются частоты биений, которых нет в спектре входного сигнала. В этом диапазоне
частот передаточная функция для изображения, подвергнутого выборке, может заметно
деградировать и даже стать близкой к нулю. С другой стороны, в зависимости от субъ-
12.3. Важнейшие показатели качества ИКС «смотрящего» типа
315
ективных качеств наблюдателя и условий измерений возможны измерения на частотах,
превышающих fa.
Величина ЛГр во многом зависит от субъективных факторов, в частности от трени-
рованности наблюдателей, определяющих ДГр. Различия в условиях измерений, опыте,
квалификации, личных особенностях наблюдателя может приводить к разбросу полу-
чаемых при измерении ЛГр результатов в 20...50% и даже более при аттестации одной
и той же ИКС. На эти результаты заметно влияет характер шумов и фона, при которых
измеряется ДГр. Установлено, что эти помехи оказывают наименьшее влияние на ДГр
при пространственных частотах, лежащих в диапазоне 3...10 период/град [144]. Важ-
ным оказывается и удаление экрана системы отображения (дисплея, монитора) от глаз
наблюдателя, а также характер движения его головы (линии визирования на цель, на
экран).
В процессе измерений время адаптации и наблюдения для оператора не ограничива-
ется. Оператор (наблюдатель) может регулировать контраст и яркость экрана монитора.
В помещении, где ведутся измерения, крайне нежелательно наличие посторонних ис-
точников излучения и людей.
При определении ДГр группой из N наблюдателей часто принимают, что среднее
значение ЛГр ср может быть вычислено как
/ д' \Ук
дг = Пя
pep 111 ₽'
к /=1 7
где ДТ^ - значение ДГР полученное i-м наблюдателем из группы.
В заключение приведем рекомендуемую в [151] последовательность операций при
измерении ДГр на стенде, схема которого приведена на рис. 12.1:
1. По центру углового поля ИКС устанавливается тест-объект (штриховая семиполос-
ная мира), причем ориентация его полос должна соответствовать ортогональной системе
координат, принятой в исследуемой ИКС. Измерения обычно начинаются с низких про-
странственных частот, составляющих 0,1...0,25 частоты Найквиста. Максимальные зна-
чения частот тест-объекта выбираются немного меньше и немного больше Tn-
2. Перемещением миры подстраиваются фаза сигнала (фазы миры) до получения
максимального сигнала. Контролируется разрешение всех штрихов миры.
3. Разность температур имитаторов цели и фона устанавливается несколько превы-
шающей предполагаемую ДГР.
4. Наблюдатель подстраивает ИКС, в первую очередь ее систему отображения, для
получения комфортных условий наблюдения.
5. Записывается разность температур имитаторов цели и фона, при которой наблю-
датель обнаруживает все четыре «горячие» полосы миры за 50% отведенного на это
времени.
6. Разность температур цели и фона устанавливается несколько меньшей предпола-
гаемой ДГр, которая затем может увеличиваться.
7. Наблюдатель снова подстраивает ИКС для оптимизации условий наблюдения.
316 Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
8. Записывается разность температур, при которой обнаруживаются все четыре «го-
рячие» полосы миры (аналогично п. 5).
9. Определяется среднее из значений, полученных в п. 5 и 8.
10. Операции повторяются для других пространственных частот (мир с другой пе-
риодичностью полос).
11. Если цель (имитатор цели) не разрешается, записывается отношение контраст-
шум.
12. Результаты всех измерений умножаются на средние значения коэффициентов
пропускания коллиматора измерительного стенда и атмосферы, чтобы найти эффек-
тивные значения облученности входного зрачка ИКС.
13. Результаты измерений, полученные различными наблюдателями, усредняются.
Величина А7"ор определяется на том же стенде, что и ДГР. В этом случае периодиче-
ская мира заменяется тест-объектом с излучателем в виде круга, квадрата или тре-
угольника, угловой размер которого может составлять от 0,1 до 5 угловых размеров,
стягиваемых элементом чувствительного слоя МПИ.
12.3.6. АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
И ХАРАКТЕРИСТИК ИКС
Автоматизация измерений основных параметров и характеристик ИКС позволяет рез-
ко уменьшить влияние человеческого фактора на результаты этих процессов, поскольку
ослабляются или вообще устраняются субъективные ошибки наблюдателей, упрощается
процесс обучения и тренировок человека-оператора, значительно сокращается время ис-
пытаний или калибровки. Все это снижает стоимость испытаний и, как следствие, разра-
ботки и изготовления ИКС, а также улучшает качество этой продукции.
По указанным причинам в странах - ведущих производителях ИКС со второй поло-
вины 90-х годов начались разработки методик, аппаратуры и программного обеспече-
ния для автоматизированных испытаний и калибровки ИКС различного назначения [8,
9, 33,116, 144, 151, 152, 202, 218,252, 253, 270, 276].
С 1996 г. компания «Santa Barbara Infrared Inc.» (SBIR) начала изготавливать и
продавать автоматизированный комплекс для испытаний и калибровки ИКС, состоя-
щий из испытательной установки и программного обеспечения, получившего назва-
ние IRWindows™. Комплекс использовался для испытания и калибровки ИКС, по-
строенных на базе как охлаждаемых матричных ФПУ, так и неохлаждаемых ФПУ, в
частности систем, выпускаемых фирмой «Raytheon TI Systems» (RTIS) и используе-
мых в системах вооружения, в системах ночного вождения транспортных средств и
др. [152, 270].
Аппаратура комплекса включает ИК-проектор для имитации фоно-целевой обста-
новки, систему обработки данных, снимаемых со стандартного выхода RS-170 испы-
туемой ИКС, и персональный компьютер, осуществляющий контроль, измерения и
анализ с помощью программного обеспечения IRWindows.
12.3. Важнейшие показатели качества ИКС «смотрящего» типа
317
Построенный на базе двухзеркального коллиматора проектор содержит блок кон-
троля параметров излучателя - черного тела и блок имитаторов цели в виде поворачи-
вающегося барабана с масками (тест-объектами). Компьютерная измерительная систе-
ма контролирует основные параметры ИКС и вводит в результаты измерений заранее
определенные постоянные, полученные в результате калибровки системы тренирован-
ным оператором.
Система IRWindows имеет графический интерфейс и легко подстраивается под из-
меняемые параметры и характеристики. Результаты испытаний или калибровки ото-
бражаются на дисплее в виде таблиц или графиков, могут быть также переведены в
текстовые файлы или введены в меню связи с контрольной или обучающей програм-
мой. Программа испытаний может быть заранее заложена в IRWindows и вызываться
оператором.
Комплекс позволяет измерять передаточную функцию сигнала (характеристику
преобразования ИКС), эквивалентную шуму разность температур АГ,, в узком и широ-
ком динамическом диапазоне, неоднородность чувствительности элементов ФПУ,
функцию передачи модуляции (ФПМ), минимальную разрешаемую разность темпера-
тур Л Гр для автоматизированного и визуального режимов работы.
Особенности измерения характеристики преобразования ИКС (передаточной функ-
ции сигнала) АИВЫХ = f(AT) уже отмечались (см. п. 12.3.2). Для ее получения рекоменду-
ется определять значение выходного разностного сигнала минимум по пяти точкам, т.е.
для пяти значений АГ. Программа IRWindows вычисляет крутизну этой функции, т.е.
чувствительность ИКС.
При определении эквивалентной шуму разности температур ДГП программа IRWin-
dows выделяет высокочастотные составляющие шума, отсекая низкочастотный геомет-
рический шум (см. п. 12.3.3). Эту процедуру можно исключить при измерении ДГП для
ФПУ на неохлаждаемых МПИ, когда геометрический шум может заметно меняться.
При этом оценка шумов может вестись по малоразмерному эталонному излучателю,
т.е. для отдельных участков чувствительного слоя МПИ. Неоднородность можно вы-
числить как отношение среднего квадратического значения шумов отдельных пикселов
к среднему значению шума.
Общая методика определения функции передачи модуляции (ФПМ) при автомати-
зации измерений остается той же, что и описанная в п. 12.3.4. Для вычисления и по-
строения ФПМ в программе IRWindows используется быстрое Фурье-преобразование
(БФП) функции размытия линии, описывающей распределение освещенности в изобра-
жении узкой щели и получаемой как производная от оптической переходной функции
изображения оптической полуплоскости (границы между светлой и темной частями
миры). При этом усредняются результаты большого числа измерений, чтобы избежать
влияния высокочастотных шумов, возникающих при обработке данных.
В измерительной установке, описанной в [276], при измерении ФПМ в качестве
тест-объекта используются узкая щель либо семиполосная мира, располагаемые перед
излучателем - черным телом в фокальной плоскости зеркального параболоидного кол-
лиматора. Тест-объект перемещается в направлении, перпендикулярном высоте щели
318 Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
или штрихам миры, с помощью шагового электродвигателя, управляемого микропро-
цессором. Испытуемая система помещается на вращающееся основание (столик гонио-
метра), что позволяет обеспечить надлежащее взаимное позиционирование ИКС и тест-
объекта. Сигнал с выхода ИКС (с дисплея через ПЗС-камеру или с цифрового выхода)
поступает на записывающее устройство, электрически связанное с микропроцессором,
управляющим перемещением тест-объекта, а также контролирующим параметры излу-
чателя. По программе, заложенной в микропроцессор, реализуются различные методы
автоматического определения ФПМ всей ИКС. Один из методов позволяет определять
максимальное и минимальное значения ФПМ, другой — непрерывно измерять значения
ФПМ при движении тест-объекта относительно оптической оси ИКС. Во всех случаях
необходимо учитывать неточную установку тест-объекта относительно системы орто-
гональных координат, принятой в ИКС, и ряд других факторов.
Наибольшей спецификой обладает автоматизированное определение минимальной
разрешаемой разности температур ДГР, поскольку эта характеристика ИКС предусмат-
ривает учет субъективных свойств человека-наблюдателя (см п. 4.2.2 и 12.3.5). Поэтому
разработчиками SBIR и программы IRWindows введен специальный термин AutoMRTD -
автоматически определяемая ДТР [79].
Автоматическое определение ДТР предусматривает ввод в результаты измерений
корректировочных коэффициентов Kfx, учитывающих разрешение наблюдателем ка-
ждой конкретной цели. При этом результат измерений можно представить в следую-
щем виде:
= К-ft Д^п /^ИКСх •
Для каждой испытуемой ИКС величины ДТП и Сиксх могут быть определены группой
наблюдателей по методикам, кратко уже описанным, т.е. неавтоматическими методами.
Затем можно вычислить коэффициент KfX для пространственной частоты fx как
к,
и усреднить его для нескольких испытуемых ИКС по результатам измерений, произве-
денным группой тренированных наблюдателей. Усредненное значение KfX вводится в
память компьютера и может периодически обновляться, как это делается, например, в
программе IRWindows.
В [152] приводится краткое описание оболочки (управляющего файла) программы
IRWindows, в которую вводятся данные об угловом поле ИКС, параметрах излучателя
и тест-объекта, коэффициенте KfX, коэффициенте пропускания коллиматора и др., а
также алгоритм автоматизированного определения ДТР (AutoMRTD). Там же описы-
вается программа и приводятся некоторые результаты корреляционных оценок пока-
зателей качества ИКС, серийно выпускаемых RTIS (ИКС типа PalmIR, широко при-
меняемых в военном деле, промышленности, охранных и наблюдательных системах).
Корреляция значений показателей качества оценивалась по достаточно представи-
тельной выборке (50 приборов типа PalmIR). Расхождения между результатами оп-
12.3. Важнейшие показатели качества ИКС «смотрящего» типа
319
Таблица 12.5
Основные параметры и характеристики матричных ФПУ и ИКС
«смотрящего» типа, определяемые с помощью системы IRWindows™2001 [252]
Чувствительность и шумовые характери- стики Передаточная функция сигнала Линейность чувствительности (характеристики преобразова- ния) Динамический диапазон сигналов Неоднородность чувствительности Временная зависимость ДТП (зависимость ДТП от временного шума) Геометрический шум из-за неоднородности напряжений смещения и соответствующая ему ДГП Трехмерный шум и все его составляющие Зависимость ДГП от температуры фона 7ф Зависимость передаточной функции сигнала от 7ф Зависимость шума от 7ф Эквивалентная шуму облученность (пороговая облученность) Пороговый поток Удельная обнаружительная способность D
Г еометрооптические параметры и характеристики Угловое поле Элементарное угловое поле Передаточная функция для щели (импульсная переходная функция) Функция передачи контраста Функция передачи модуляции Дисторсия Смещения линии визирования
Качество изображе- ния Неоднородность освещенности и ее изменения по изображе- нию (минимальное, максимальное, среднее и среднее квадра- тическое значения) Визуально нераспознаваемые временной и геометрический шумы Неоднородность чувствительности как функция времени Побочные изображения из-за эффекта Нарцисса и блики Остаточная неоднородность коэффициентов усиления и на- пряжений смещения Распределение «плохих» пикселов (из-за неприемлемых ко- эффициентов усиления, напряжений смещения, чрезмерного шума и других факторов)
Чувствительность с учетом субъектив- ных качеств наблю- дателя Минимальная разрешаемая разность температур Д7р AutoMRTD Минимальная обнаруживаемая разность температур
320 Глава 12. Испытания и исследования ИКС «смотрящего» типа
ределения ДТР неавтоматическим способом и автоматическим (AutoMRTD) составили
в среднем 11%.
В 2001 г. компании «Santa Barbara Infrared» и «FLIR Systems Inc.» значительно усо-
вершенствовали систему IRWindows™, так что новый комплекс, получивший торговую
марку IRWindows™ 2001, по утверждению авторов [252], пригоден для испытаний всех
типов ФПУ. Новая система позволяет заметно расширить перечень контролируемых и
измеряемых параметров и характеристик ФПУ, проводить автоматический анализ по-
лученных результатов, использовать более совершенное программное обеспечение. В
табл. 12.5 перечислены параметры и характеристики, определяемые с помощью систе-
мы IRWindows™2001.
Глава 13
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
«СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
13.1. ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА КОМПЬЮТЕРНОЙ
МОДЕЛИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ
Огромное разнообразие условий работы оптико-электронных систем (ОЭС), непре-
рывное расширение их элементной базы, совершенствование и усложнение алгоритмов
обработки получаемой информации делают компьютерные методы параметрического и
схемотехнического анализа и синтеза ОЭС незаменимыми при их проектировании, ис-
следованиях и испытаниях. Моделирование позволяет существенно уменьшить объем
дорогостоящего и не всегда достаточно представительного эксперимента, а в ряде слу-
чаев (например, при проектировании ИКС, работающих в условиях сложной фоно-
целевой обстановки) и вообще отказаться от него. В полной мере это относится к соз-
данию и исследованиям оптико-электронных систем визуализации (ОЭСВ), и в частно-
сти инфракрасных систем (ИКС). В то же время авторы ни в коей мере не хотят ума-
лить роль натурных испытаний, значимость которых трудно переоценить.
К числу основных вопросов, на которые можно ответить с помощью моделирования
ИКС, относятся:
- при каких значениях параметров и характеристик отдельных звеньев можно дос-
тичь поставленной перед ИКС цели;
— каково оптимальное сочетание этих параметров и характеристик;
- как будут влиять изменения условий работы ИКС (сценария, фоно-целевой обста-
новки и т.п.) на показатели качества системы;
- какие алгоритмы обработки информации, обрабатываемой ИКС, наиболее рацио-
нальны с точки зрения различных требований, предъявляемых к системе, в частности,
для обеспечения заданных показателей качества.
Первые аналитические модели ИКС представляли собой развернутые, т.е. пред-
ставленные в виде функции многих параметров системы, выражения для важнейших
показателей (критериев) качества ИКС - эквивалентной шумам разности температур
АГП и минимальной разрешаемой разности температур АТр. Помимо этого, к аналити-
11 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
322
Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
ческим моделям довольно часто относят вероятностные модели задач, решаемых с
помощью ОЭС, например, по обнаружению, распознаванию, идентификации различ-
ных объектов.
Одной из оценок качества той или иной модели ОЭС является степень ее адекватно-
сти (или просто адекватность) реальным условиям работы системы и значениям ее кон-
структивных параметров и характеристик. Это определяется многими факторами, и в
первую очередь адекватностью отдельных субмоделей, т.е. полнотой и достоверностью
описания полезных сигналов, фонов, помех и шумов, имеющих место в конкретных ус-
ловиях работы ОЭСВ, а также допусками на разброс отдельных параметров и характе-
ристик элементов и узлов ОЭС и допустимыми отклонениями показателей качества
системы от их номинальных (задаваемых) значений.
Степень адекватности достаточно обобщенной компьютерной модели ОЭС, постро-
енной по жесткой схеме (алгоритму), зависит от ряда факторов, к числу которых на
практике чаще других относятся:
- изменение условий работы системы (сценария работы ОЭС, окружающих условий
и т.д.);
- замена одного метода просмотра и анализа пространства объектов (поля обзора)
другим, например оптико-механического сканирования просмотром поля с помощью
двумерного МПИ;
- изменение алгоритмов (способов) фильтрации полезного сигнала на фоне помех,
обнаружения, распознавания, слежения и т.п.;
- замены в элементной базе системы, например, отдельных узлов и элементов но-
выми, более совершенными, но и более сложными или, напротив, менее сложными, но
более дешевыми.
Сюда же можно отнести и такой субъективный фактор, как возможная недостаточ-
ная опытность пользователя моделью, поскольку работа с большинством современных
компьютерных моделей ОЭС происходит в диалоговом дружественном режиме.
С адекватностью компьютерной модели как показателем ее качества или требовани-
ем к ней тесно связаны ее универсальность, т.е. возможность использования при реше-
нии достаточно широкого круга практических задач, а также технико-экономическая
эффективность, определяющая по тому или иному критерию выигрыш данного вида
моделирования по сравнению, например, с физическими или натурными испытаниями
макетных или опытных образцов ОЭС.
Структура типовой ОЭС и ее обобщенной компьютерной модели, а также струк-
турные схемы ряда моделей конкретных видов ОЭС неоднократно рассматривались
в литературе [38, 48, 116, 142, 149, 159, 168, 188, 198, 226, 227, 239, 240, 256, 262,
267 и др.].
За достаточно обобщенную модель ОЭС можно принять структуру, представленную
на рис. 13.1. Компьютерную оболочку этой модели определяют ее главные компоненты -
файлы (субмодели) «Сценарий работы ОЭС», «Энергетическая модель», «Структура и
алгоритмы работы ОЭС», «Критерии качества работы ОЭС», включая базы данных,
разделенные на две большие группы:
13.1. Обобщенная структурная схема модели оптико-электронной системы
323
- сценарий и энергетическая модель;
- отдельные узлы и элементы (их схемы, параметры и характеристики), а также ти-
повые алгоритмы обработки информации, используемые в современных ОЭС.
На том же рис. 13.1 указаны некоторые возможные использования компьютерной
модели ОЭС на различных этапах проектирования системы [48]. В принципе, отдель-
ные и даже все базы данных могут отсутствовать в модели, однако в этих случаях рабо-
та пользователя с моделью заметно усложняется.
Феноменологические субмодели и соответствующие им базы данных описывают
сигналы, поступающие на вход ОЭС от наблюдаемых или контролируемых объектов
(целей), фонов и помех, а также преобразования этих сигналов в среде их распростра-
нения от источника сигнала до входа ОЭС. Эти субмодели и базы («Сценарий работы
ОЭС», «Энергетическая модель», «Атмосфера», «Фоны» и др.), пожалуй, наиболее
сложные, поскольку чрезвычайно большое число возможных сценариев работы ОЭС,
достаточно строгое описание физических процессов возникновения и распространения
оптических сигналов, многомерность оптических сигналов и ряд других факторов
1Г
324
Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
весьма затрудняют их адекватное математическое воспроизведение и могут заметно ус-
ложнять компьютерную модель.
Одним из вариантов модели исследуемого и используемого сценария может быть
геометрооптическая схема, представляющая совокупность излучателей (объекта, по-
мех, фонов, среды распространения оптического сигнала), имеющих место в конкрет-
ной ситуации, а также их взаимное расположение (дальность, высоты, углы). Другим
вариантом модели может быть синтезированное или получаемое каким-либо другим
путем изображение сцены (углового поля ОЭС).
В качестве выбираемых или задаваемых параметров и характеристик излучателей,
входящих в модель, можно использовать температуры, излучательные и отражательные
способности, геометрические размеры излучающих или отражающих поверхностей и
их ориентацию относительно ОЭС и относительно друг друга, спектральные характе-
ристики и др. Сигнатуры сигналов от объектов, фонов и помех часто описываются хо-
рошо известными зависимостями типа закона Планка, однако сложный, а порой и не-
предсказуемый характер собственного излучения, отражательной способности и про-
цессов теплообмена в многофакторном пространстве объектов очень затрудняет их
адекватное математическое отображение.
На первых этапах создания модели (выбор и анализ рабочего сценария) приходится
выбирать и учитывать размер углового поля или площади, просматриваемых ОЭС, ди-
намику платформы-носителя системы, а также временные изменения условий ее экс-
плуатации. Последнее включает учет времени года и суток, возможные изменения кли-
матических и метеоусловий, например уровня солнечной освещенности, скорости ветра
и других подобных факторов.
Синтез необходимого изображения может начинаться с выбора одного из изображе-
ний (сцены), содержащихся в базе данных. Для геометрической коррекции базового изо-
бражения используют различные процедуры, которые позволяют изменять взаимное гео-
метрическое положение ОЭС, объекта, фонов и помех, например положение оптической
оси ОЭС и линии визирования относительно объекта или фона, на котором наблюдается
объект. Кроме того, можно изменять яркость отдельных участков сцены, например объ-
ектов или помех, в соответствии с различиями в их коэффициентах отражения и излуче-
ния, вводить в сцену дополнительные объекты или помехи, учитывать переход к новому,
отличному от исходного (для базового изображения) спектральному диапазону и т.д.
В начале моделирования задают географические, климатические и другие условия, в
которых работает ОЭС. Географическая база данных обычно содержит сведения о ко-
ординатах ОЭС и наблюдаемого объекта (широта, долгота, высота), о типе территории,
на которой работает ОЭС, и топографических признаках этой территории (тип местно-
сти, растительность, водоемы и т.п.). Здесь же следует учитывать погодные условия,
которые определяют наличие фоновых и помеховых излучателей типа атмосферы и об-
лачности, а также условия прохождения сигналов на трассах от излучателей (объектов,
фонов, помех) до ОЭС. Во многих случаях это необходимо для оценки энергетических
характеристик, например излучательной способности, не только фонов и помех, но и
наблюдаемых или контролируемых объектов.
13.1. Обобщенная структурная схема модели оптико-электронной системы
325
После этого можно учесть различия в параметрах и характеристиках среды распро-
странения излучения для базового и синтезируемого изображений, которые обусловле-
ны изменениями спектральных диапазонов работы, протяженности трасс. Для учета
влияния среды - атмосферы часто можно воспользоваться моделями стандартной атмо-
сферы типа моделей ГИПО, LOWTRAN, MODTRAN и др. [25, 151, 178, 196 и др.].
Нужно сказать, что даже эти хорошо освоенные и широко используемые субмодели,
описывающие возникновение и распространение оптических сигналов в атмосфере и
основанные на сочетании теоретических и эмпирических зависимостей, хотя и занима-
ют большой объем памяти в базах данных компьютерных моделей, не всегда достаточ-
но адекватно отражают возможные ситуации, возникающие при работе ОЭС.
Следует отметить, что реализация идеальной модели, учитывающей все энергетиче-
ские, спектральные, геометрооптические, временные параметры и характеристики
трехмерного пространства (просматриваемой сцены) с точным выполнением всех фи-
зических законов, требует практически отсутствующих времени моделирования и объ-
ема памяти компьютера. Поэтому часто имеет смысл перейти к упрощенным субмоде-
лям «Сценарий работы ОЭС» и «Энергетическая модель», в основном, сохраняющим
адекватность, но позволяющим разрешить указанную проблему. Учитывая весьма
большое многообразие возможных ситуаций (сцен, сценариев, фоно-целевых обстано-
вок), в которых могут работать ОЭС, целесообразно и допустимо для решения основ-
ных задач с помощью моделирования ОЭС, например, для параметрического анализа
системы совмещать расчет параметров и характеристик излучателей и сред распро-
странения оптических сигналов на основе достаточно строгих физических закономер-
ностей с использованием баз данных, полученных эмпирическим путем.
Несколько более простыми представляются параметрические субмодели, описы-
вающие отдельные звенья ОЭС и процесс обработки в них сигналов («Оптическая сис-
тема», «Приемник излучения», «Электронный тракт», «Система отображения» и др.).
При их построении необходимо принимать во внимание большой объем и непрерывное
обновление баз данных, в которых сосредоточены сведения о параметрах и характери-
стиках отдельных звеньев ОЭС, а также трудность учета возможных разбросов значе-
ний этих параметров и характеристик.
Передаточные функции (частотные характеристики) отдельных звеньев и всей ОЭС,
входящие в выражения для оценки важнейших параметров качества системы, напри-
мер, в формулу для ЛТр, характеризующую качество работы ИКС (см. гл. 4), обычно
определяют в предположении, что все звенья системы работают в линейном режиме, а
общую передаточную функцию ОЭС СОэс находят как произведение передаточных
функций ее отдельных звеньев. Таким образом,
^оэс(/х)=СопТ(А)Спи(Л)Сэ(/^Ссо(Л)Сгл(Л)Сосн(Л), (13.1)
где СОПТ(Д), С?ПИ(Л), ОЭ(Д), Gco(4), GM, Gow(fx} - передаточные функции (частотные
характеристики) оптической системы, приемника излучения, электронного тракта, сис-
темы отображения, глаза наблюдателя, движения основания соответственно; fx- про-
странственная частота, которая может быть одномерной, характеризующей одномер-
326
Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
ную структуру или меру повторяемости вдоль одной координаты, а также двумерной
(fXi fy) или векторной (fp) величиной. Эти функции являются Фурье-преобразованиями
соответствующих импульсных реакций перечисленных звеньев ИКС.
При моделировании ИКС «смотрящего» типа необходимо учитывать особенности
обработки сигналов (изображений в аналоговой и цифровой форме), отмеченные вы-
ше (см. § 9.1) и состоящие в размытии изображения до выборки, выборке отдельных
значений сигнала, размытии дискретизированного после выборки сигнала, т.е. его ре-
конструкции к аналоговой форме. Первый из этих процессов (размытие изображения
до выборки) обычно описывается гауссовской функцией (импульсной реакцией) и со-
ответствующей передаточной функцией, второй - совокупностью отдельных значе-
ний дискретизированной функции (comb-функцией), третий - типом звеньев, исполь-
зуемых при реконструкции изображения. При использовании для размытия реконст-
руируемого изображения системы отображения на базе катодно-лучевых трубок им-
пульсная реакция этой системы принимается гауссовской, а системы отображения на
базе дискретных электролюминесцентных или светодиодных панелей - прямоуголь-
ной. (Более подробно передаточные функции отдельных звеньев ИКС будут рассмот-
рены в § 13.4.)
Как уже неоднократно отмечалось, выборка изображения, осуществляемая в ИКС
«смотрящего» типа, - нелинейная операция, что необходимо учитывать при определе-
нии передаточных функций таких систем. Для линеаризации передаточной функции
(функции передачи модуляции) можно использовать ее «сжатие» в области частот,
близких к частоте Найквиста (см. гл. 9). Такой путь избран, например, в моделях
FLIR92 и NVTherm (см. § 13.2, а также [113, 265, 266]). К другим источникам нелиней-
ностей, которые обычно приходится учитывать при моделировании ИКС, относятся не-
линейность систем отображения, а также зрительного аппарата человека-наблюдателя.
Отдельным блоком структурной схемы обобщенной компьютерной модели ОЭС яв-
ляется субмодель «Критерии качества ОЭС». Учитывая многофункциональный харак-
тер многих ОЭС, например приборов, служащих для поиска, обнаружения, распознава-
ния, слежения и определения координат объектов, часто приходится рассчитывать зна-
чение не только какого-либо одного критерия качества, например, отношения сигнал-
шум на выходе ОЭС, но и целую совокупность их (выходных параметров), например,
характеристики обнаружения, погрешности слежения и др.
Показателями (критериями) качества ИКС визуализации чаще всего считают мини-
мальную разрешаемую разность температур ATP и эквивалентную шуму минимальную
обнаруживаемую разность температур АД,, хотя их использование подразумевает ряд
условий и ограничений: пространственное и энергетическое разрешение оценивается
по тест-объекту определенной конфигурации, время наблюдения не ограничено, зри-
тельный аппарат наблюдателя - идеальное интегрирующее звено, наблюдатель знает о
расположении объекта и др. [34, 144]. При этом часто не учитывается реальный харак-
тер шумов, имеющих место в системе, а принимается априорно гипотеза о нормальном
распределении спектра шума. Предполагается, что все звенья ИКС, включая глаз на-
блюдателя, работают в линейном режиме.
13.2. Краткий обзор компьютерных моделей ИКС «смотрящего» типа 327
В модели ИКС третьего поколения нужно учитывать все эти факторы, действующие
для конкретной системы в пределах полосы пропускания частот, а не в пределах неко-
торой стандартной полосы пропускания, что имело место при определении эквивалент-
ной шумам разности температур для ИКС первых поколений. В последнее время в свя-
зи с тенденциями использовать двумерные МПИ, т.е. переходить к «смотрящему» ре-
жиму работы ИКС, когда особое значение приобретают процессы пространственной и
пространственно-временной выборки оптических сигналов, возник ряд особенностей
моделирования таких систем, связанных, например, с аналого-цифровым преобразова-
нием сигналов, их квантованием и реконструкцией, с ограничениями спектров переда-
ваемых сигналов частотой Найквиста, с корреляцией сигналов, получаемых с разных
элементов МПИ, с увеличением влияния неоднородностей параметров отдельных эле-
ментов приемника (геометрического шума) и др. Предпосылки для их учета рассматри-
ваются в публикациях, посвященных ОЭС [83, 111, 112, 142, 199, 265], а также в этой
книге.
Еще одна принципиальная особенность модели ИКС третьего поколения связана с
определением или использованием пространственного разрешения не по одной коор-
динате (вдоль критического размера объекта), а по двум ортогональным. Как уже отме-
чалось в гл. 4, в настоящее время АГР предлагается определять для пространственной
частоты, вычисляемой как квадратный корень из произведения пространственных час-
тот, соответствующих ATP, измеренных для горизонтального и вертикального направ-
лений.
Если в моделях ИКС первого и второго поколений качество системы ограничива-
лось шумами отдельных звеньев, то уже сейчас отмечается, что в ряде современных
ИКС это качество лимитируется недостаточным контрастом изображения на экране
выходного дисплея, что приводит к необходимости работы человека-оператора (на-
блюдателя) в затемненных условиях, т.е. пороговое отношение сигнал-помеха не оста-
ется постоянным, а изменяется в зависимости от условий работы наблюдателя. Нако-
нец, предлагается учитывать пространственный предел интегрирования изображения
глазом (4 мрд), в то время как в известных ранних моделях предполагалось, что интег-
рирование идет по всему изображению объекта (цели). Последнее позволит уточнить
определяемое с помощью модели пространственно-температурное разрешение ИКС
Л7р в области низких пространственных частот.
13.2. КРАТКИЙ ОБЗОР КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ
ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
В конце 80-х - начале 90-х годов в печати появилось большое число публикаций,
посвященных различным компьютерным моделям ИКС. В большинстве из них описы-
валась работа систем военного назначения. К настоящему времени некоторые из этих
моделей морально устарели, однако ряд принципов их построения и целые блоки с ус-
пехом используются при разработке новых компьютерных моделей ИКС «смотрящего»
328 Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
типа. К таким моделям относятся созданные по заказу командования сухопутных ра-
кетных войск США модели FCSS (Fire Control Sensor Simulator) и MIISPM (Missile
Command Infrared Imaging System Performance Model), в которых в качестве критериев
качества работы ИКС используются вероятности обнаружения, распознавания и инден-
тификации целей как функции дальности до них.
В модели FCSS излучение воздушных целей рассматривается как совокупность
излучений корпуса (обшивка), двигателя и шлейфа истекающих продуктов сгорания
топлива. Первая составляющая зависит от окружающей температуры и скорости дви-
жения цели и рассчитывается с учетом аэродинамического нагрева и коэффициента
излучения обшивки. Вторая составляющая определяется по известным температуре и
коэффициенту излучения, а третья учитывает состав окружающей среды, т.е. линии
поглощения основных компонентов атмосферы. В этой модели наземные цели пред-
ставляются в виде прямоугольных параллелепипедов с определенным соотношением
ребер, стороны которых характеризуются постоянными по площадям граней темпера-
турами и коэффициентами излучения, а наиболее распространенные фоны (наземный
ландшафт и небо) - в виде однородных, неструктурированных излучателей, характе-
ризуемых некоторыми усредненными значениями температуры и коэффициента из-
лучения.
Модель MIISPM содержит в качестве основных субмодели «Цель», «Атмосфера»,
«Датчик» и «Выходная информация». В ее модернизированном варианте заложена воз-
можность изменять параметры МПИ и электронного тракта. При вычислении АТ',, учи-
тываются искажения, возникающие при превышении частоты Найквиста. Модель мо-
жет автоматически вычислять зависимость между вероятностью обнаружения цели и
дальностью до нее.
Компьютерные модели ИКС разрабатывались и разрабатываются не только в США,
но и в других странах. Так, Агенство по оборонным научным исследованиям Велико-
британии для моделирования различных ИКС создало программу Infracal. С ее помо-
щью определяются контрасты между целью и фоном, температуры целей и другие па-
раметры фоно-целевой обстановки.
В конце 80-х годов в Израиле была создана компьютерная модель ОЭС, предназна-
ченных для построения изображений наземных объектов при наблюдении их сверху,
например с борта вертолета или самолета. Модель, получившая название GASIEL
(General Approach to System Imaging Evaluation) [240], позволяет быстро учитывать из-
меняющиеся в процессе полета носителя ОЭС условия ее работы. База данных включа-
ет параметры и характеристики возможных целей, фонов и ОЭС. Отношение сигнал-
шум как основной выходной параметр модели представляется в виде функции про-
странственного разрешения, приведенного к земной поверхности, где находятся на-
блюдаемые или обнаруживаемые цели.
В отличие от модели GASIEL модель CiNeRaMa [256] учитывает пространственную
неоднородность излучения фона, на котором наблюдается цель. При этом сценарий и
атмосферные условия заданы с помощью модели LOWTRAN 7 [178], в которой прини-
маются во внимание взаимное положение цели и ОЭС, координаты Солнца, температу-
13.2. Краткий обзор компьютерных моделей ИКС «смотрящего» типа
329
ра и излучательные свойства целей и фонов, метеорологические условия на трассе,
пропускание атмосферы и ее яркость (путевая яркость).
Среди моделей ИКС «смотрящего» типа следует выделить часто используемые на
практике модели ACQUIRE [196] и ЕСОМ-7043 [116, 227]. С помощью первой, в базе
данных которой содержатся таблицы площадей и критических размеров ряда тактиче-
ских военных целей, а также в аналитическом виде кривые для расчета вероятностных
характеристик ИКС, можно вычислять сигналы от различных целей с учетом пропуска-
ния атмосферы и других условий работы ИКС.
Используя современные модели, можно вычислять вероятности обнаружения (рас-
познавания, классификации, индентификации) в виде функции дальности до цели. Для
определения вероятности решения задачи, поставленной перед ИКС (обнаружение,
ориентация, распознавание, классификация), разность температур АГ между объектом
и окружающим его фоном или между отдельными частями объекта следует привести ко
входному зрачку ИКС, умножив ДТ на коэффициент пропускания тс среды на трассе
между объектом и ИКС (рис. 13.2). Следует отметить, что при этом игнорируется соб-
ственное излучение среды («путевая яркость» атмосферы). При работе в диапазоне
8... 14 мкм это допущение часто не может считаться приемлемым, и оценка изменения
контраста должна вестись более строго (см. §3.4). Затем учитываются шумы, имеющие
место в системе, и вычисляется Л7'п, а также передаточная функция всей ИКС, что по-
зволяет определить ДГР как функцию пространственной частоты fxy, т.е. построить кри-
вую ДТ^ДД,) и по ней найти значение разрешаемой частоты, соответствующее Д7тс.
Число разрешаемых ИКС градаций рассчитывается как Лр=Д{ЛкрлАкру)1/2//. Из эмпири-
ческой зависимости вероятности решения поставленной задачи от числа Np можно най-
ти связь заданной вероятности с дальностью Z до объекта, поскольку Np - функция I.
Одна из наиболее известных компьютерных моделей FLIR 92, работающая по опи-
санному алгоритму, разработана Лабораторией ночного видения и электронных датчи-
ков (NVESD) Армии США [112, 142, 144, 226, 227] и вошла в более общую модель
ACQUIRE. Она предназначена для определения эквивалентной шуму разности темпе-
ратур ДТп, функции передачи модуляции, минимальных разрешаемых и обнаруживае-
мых разностей температур ДТР применительно к ИКС различного типа - как «смотря-
щего», так и сканирующего. Предполагалось, что в ИКС не происходит наложения
спектров при выборке, т.е. верхние граничные пространственные частоты не превыша-
ют частоту Найквиста. Исходными данными для расчетов с помощью такой модели
обычно считаются параметры и характеристики оптической системы и МПИ, включая
составляющие трехмерного шума МПИ (см. §7.3), а также передаточные функции от-
дельных звеньев ИКС, в том числе и зрительного аппарата человека-оператора.
Программа расчетов по модели FLIR 92 написана на алгоритмическом языке С и
реализуется на персональных компьютерах IBM в системе MS-DOS в интерактивном
режиме. Формат используемых файлов достаточно гибок, хотя они должны редактиро-
ваться с помощью текстового редактора ASCIL. Содержащиеся во многих зарубежных
публикациях результаты сравнения расчетов, проведенных с помощью модели FLIR 92,
и экспериментальных данных, полученных при испытаниях ИКС, в целом подтвердили
330
Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
М
Рис. 13.2. Схема определения зависимости вероятности Р обнаружения (классификации,
распознавания, идентификации) цели от дальности I до нее
эффективность и адекватность этой модели, т.е. показали хорошую сходимость расчета
и эксперимента.
Подобная модели NVESD концепция была положена в основу модели фирмы
«Westinghouse» [226]. В ней вероятность решения задачи, стоящей перед ИКС, опреде-
ляется путем вычисления отношения сигнала-помеха, представляющего собой отноше-
ние сигнала от объекта, прошедшего среду, к уровйю шума системы. Эффективная раз-
ность температур Д7тс сравнивается со значением А7р для пространственной частоты,
соответствующей числу Джонсона Np, необходимому для решения поставленной зада-
чи. Требуемая вероятность сопоставляется с рабочей характеристикой, т.е. с зависимо-
стью вероятности правильного решения от отношения сигнал-помеха.
Модернизированная модель ЕСОМ-7043 позволяет пользователю в интерактивном
режиме вводить итерации размера углового поля, диаметра входного зрачка и относи-
тельного отверстия объектива ИКС для одного и того же установленного в начале вы-
числений отношения ДГр к Лике - передаточной функции ИКС. Для этого экстраполи-
руется новое значение ДГР, связанное с Лике через указанные изменяемые конструк-
тивные параметры, а затем строятся зависимости вероятностей обнаружения, распозна-
вания и идентификации от дальности до цели. С помощью модели определяются, а за-
тем легко наглядно анализируются зависимости этой дальности от размера углового
13.2. Краткий обзор компьютерных моделей ИКС «смотрящего» типа
331
поля и относительного отверстия объектива, высоты системы стабилизации оптиче-
ской оси ИКС и других параметров. Используя лишь один набор входных данных,
можно получить выходные характеристики для разных комбинаций, этих параметров.
Модернизированная модель ЕСОМ-7043 позволяет учесть не только поглощение и
рассеяние излучения в атмосфере, но и дымовые помехи (с помощью отдельной суб-
модели EOSAEL-82).
В последнее десятилетие для описания различных ИКС, в том числе и «смотрящего»
типа, вместо FLIR 92 все чаще применяется созданная на ее базе модель NVTherm [83,
144, 266], в которой учитывается нелинейность процесса пространственной выборки.
Когда предельные пространственные частоты в спектре изображения превышают час-
тоту Найквиста Tn, т.е. 0,5 частоты пространственной выборки, после реконструкции
подвергнутого выборке сигнала возникают побочные гармоники, приводящие к иска-
жениям получаемого на выходе ИКС изображения. Как было показано в гл. 9, этот эф-
фект носит нелинейный характер и не может быть строго описан в линейном прибли-
жении. При использовании модели NVTherm предполагается, что такие искажения
ухудшают качество распознавания целей. Чтобы учесть это явление при оценке воз-
можностей конкретной ИКС по идентификации и распознаванию целей, предложено
уменьшать в определенное число раз значения функции передачи модуляции ФПМ
(частотной характеристики) системы на высоких частотах, т.е. «сжимать» ее на часто-
тах, больших[ИЗ]. К сожалению, до сих пор нет возможности экспериментально
измерить значения ДТР при идентификации и распознавании целей в случае превыше-
ния /n , поскольку параметры выборки в реальных системах не могут быть изменены
«сжатием» ФПМ.
В 2002 г. появились сведения об улучшенной версии модели NVTherm - так назы-
ваемой Windows-версии, учитывающей эффект размытия изображения из-за атмо-
сферной турбулентности, а также возможность работы ИКС на наклонных трассах
[199]. Пропускание атмосферы на таких трассах рассчитывается с помощью субмоде-
ли MODTRAN [151]. Кроме того, в модели NVTherm 2002 для оценки дальности дей-
ствия ИКС (дальности обнаружения, распознавания и т.д.) используется Националь-
ная шкала оценок интерпретации изображений NIIRS (см. §4.4). Модель позволяет
рассчитывать зависимость NIIRS (баллы оценок), а также вероятностей Р обнаруже-
ния, распознавания и идентификации наземных объектов от дальности / до них, в том
числе и для ОЭС, работающих в составе комплексов «воздух - земля», и представлять
зависимости NIIRS = f(J) и Р = (1)в виде графиков.
Совершенно другая методология используется в модели, основанной на определе-
нии критерия TOD (см. §4.2), который, по мнению его разработчиков, более объективен
для оценки качества распознавания, чем ДТР [83, 85, 200]. Это объясняется рядом фак-
торов. Во-первых, тест-объект в виде совокупности четырех различно ориентирован-
ных треугольников (см. рис. 4.4) часто ближе к форме реальных целей, чем семиполос-
ная мира, используемая при определении ДТР. Во-вторых, процедура определения ДТР
далеко не всегда совпадает с процедурой распознавания целей в реальных условиях ра-
боты ИКС и не отображает субъективных особенностей конкретного человека-
332 Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
наблюдателя. В [200] сообщается о совершенствовании модели TOD в целях учета не-
линейных операций при выборке и реконструкции изображения. Для этого субмодель
системы (датчика) создает изображения набора тест-объектов, которые передаются в
субмодель зрительного аппарата, где решается задача определения наиболее вероятной
ориентации тест-объекта, подобная той, что решает человек-наблюдатель в реальных
условиях работы ИКС. Указанные субмодели могут работать независимо друг от друга,
что позволяет, например, достаточно достоверно определить критерий TOD с помощью
входных файлов, полученных или используемых в модели NVTherm. В [191] указыва-
ется, что программное обеспечение модели TOD хорошо вписывается в качестве от-
дельного блока оболочки IRWindows™, о которой говорилось в гл. 12.
Модель TRM 3 была создана на базе традиционного метода получения Д7Р в лабора-
торных условиях, в рамках которого допускается оптимизация наблюдателем взаимно-
го положения тест-объекта (семиполосной или четырехпериодной миры) и растра
МПИ, выполняющего пространственную выборку, т.е. их согласование по фазе. Кроме
того, для частот, превышающих^ , возможно различение в изображении миры не че-
тырех ярких, а трех или даже двух полос. Модель TRM 3 нелинейна и в качестве опре-
деляемого критерия использует минимальную обнаруживаемую разность температур
[83, 278].
Следует отметить, что к настоящему времени нельзя отдать абсолютного предпоч-
тения какой-либо одной компьютерной модели ИКС «смотрящего» типа. В [83] приво-
дятся результаты аналитического сопоставления (расчетного эксперимента) моделей
NVTherm, TOD и TRM 3, используемых для оценки качества распознавания целей та-
кими системами. Эти результаты во многом весьма противоречивы для каждой из мо-
делей и даже неожиданны. Так, использование модели TRM 3 привело к выводу, что
микросканирование увеличивает информативность получаемого на выходе ИКС изо-
бражения, но уменьшает качество распознавания целей. Модель NVTherm предсказы-
вает, что в области частот, больших fa, эффективность распознавания определяется
функцией рассеяния до и после фильтрации изображения, а модель TOD указывает, что
эта эффективность зависит в первую очередь от частоты выборки. В области низких
пространственных частот критерии модели TRM 3 и TOD (но не Д7р) одинаково харак-
теризуют качество различных ИКС. Авторы [83] делают вывод, что выбор той или иной
модели заметно сказывается на решениях, принимаемых на этапе разработки системы,
а также на ее технико-экономических параметрах.
В [114] приводятся результаты сравнительного моделирования систем второго и
третьего поколений, выполненного с помощью модели NVTherm. Было показано, что
ИКС третьего поколения обеспечивает увеличение дальности на 20...60% по сравнению
с эквивалентной ИКС второго поколения. Кроме того, так как ФПУ нового поколения
имеют меньший уровень шумов, улучшается восстановление изображения.
Увеличение дальности действия ИКС третьего поколения на 60% сопровождается
увеличением вероятности обнаружения и распознавания до 50%, причем это достигает-
ся для меньших входных зрачков (165 мм вместо 200 мм). Для ИКС, используемых со-
вместно со стрелковым вооружением, при ФПУ формата 320><240 на базе неохлаждае-
13.2. Краткий обзор компьютерных моделей ИКС «смотрящего» типа 333
мых ферроэлектрических болометров модель системы третьего поколения указывает на
возможность увеличения дальности на 50% по сравнению с системой второго поколе-
ния. Это сочетается с большим угловым полем, лучшим качеством изображения, что
позволяет вдвое сократить время обнаружения и отслеживания.
Ряд моделей был разработан применительно к ИКС воздушного и космического ба-
зирования. Так, для нужд Национального аэрокосмического агенства (NASA) США
была разработана модель ATTIRE (Analytical Tools for Thermal Infrared Engineering),
позволяющая вести параметрический анализ ИКС [159]. Модель, реализуемая в среде
PC-DOS, имеет субмодели «Поток источника излучения», «Атмосфера», «Оптическая
система», «Параметры элемента разрешения» и др., каждая из которых занимает от-
дельное окно. Работа с моделью идет в интерактивном режиме. Возможно графическое
представление зависимостей критериев качества ИКС от параметров отдельных ее
звеньев. Модель функционирует в многоканальном режиме, т.е. вычисления могут про-
водиться одновременно в большом числе спектральных каналов (до 50). В каждом ка-
нале могут вводиться параметры, соответствующие отдельным субмоделям. В пределах
каждого спектрального канала излучательная и отражательная способности, коэффици-
енты пропускания атмосферы и оптической системы принимаются постоянными
При проектировании и исследованиях современных ИКС все чаще используются
методы компьютерной графики, позволяющие синтезировать изображения различных
объектов и фонов, на которых эти объекты наблюдаются. При этом поверхность объек-
тов обычно разбивается на отдельные изометрические площадки, т.е. представляется в
виде совокупности большого числа (порой десятков тысяч) плоских элементов про-
стейших форм — прямоугольников, треугольников, трапеций и др., различным образом
ориентированных в трехмерном пространстве. Затем задаются температуры отдельных
частей этих объектов, коэффициенты излучения и отражения, теплопроводность, масса
и другие физические свойства, а также аналогичные параметры и характеристики фона.
За основные критерии качества ИКС в этих моделях часто принимают А/’п и ДГр в соче-
тании с числами Джонсона Ар (см. § 4.3).
По такой схеме в общих чертах построен ряд моделей, созданных по заказу Армии
США: TTIM (The Tank-Automotive Command Thermal Image Model), DIRSIG (Digital
Imaging and Remote Sensing Scene Generator), MuSES (Multi-Service Electro-optic Signa-
ture) и ряд других [245, 246, 254], предназначенных для моделирования ИК-
изображений наземных и воздушных целей и фонов. Первые версии модели TTIM были
созданы в середине 80-х годов. Модель позволяет имитировать работу как визуальных
средств наблюдения, так и различных ИКС .JB субмодели «Атмосфера», построенной на
базе LOWTRAN [178], учитываются не только пропускание, поглощение и рассеяние
естественной атмосферы, но и эффекты, возникающие в реальной боевой обстановке
(дымовые помехи, видимое перекрытие объектов в угловом поле ИКС и др.). Для суб-
модели фоно-целевой обстановки в модели TTIM используются шесть входных файлов
(объект, погодные условия, сценарий работы ИКС и др.). В модель ИКС входят также
субмодели «Атмосфера», «Оптическая система», «Приемник излучения», «Электрон-
ный тракт», «Система отображения».
334
Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
Большинство моделей позволяет имитировать работу ИКС в достаточно широком
спектральном диапазоне. Так, модель DIRSIG в сочетании с моделью атмосферы
MODTRAN позволяет оценивать собственное и отраженное излучение самых разнооб-
разных объектов и фонов естественного и искусственного происхождения в диапазоне
0,3...20,0 мкм и анализировать работу ИКС в достаточно сложных фоно-целевых об-
становках. Эта же модель, как отмечается в [245], хорошо сочетается с моделями
MuSES и SIRIM, обеспечивающими высокое пространственное разрешение при синтезе
оптических изображений.
Представляет интерес разработанная фирмой «Grumman Aerospace Corporation and
Analytics, Ins.» модель Irma (Infra-Red Modeling and Analysis)», имеющая несколько мо-
дификаций [219, 275]. Она базируется на данных, полученных Лабораторией ВВС
США в большом числе экспериментов по изучению характера различных целей. Этот
принцип использования в компьютерной модели для задания входных параметров баз
данных, полученных в результате натурных экспериментов, а не аналитических зави-
симостей, получает все большее распространение на практике, хотя методы синтеза
изображений целей и фонов средствами компьютерной графики также непрерывно раз-
виваются.
Последняя модификация модели Irma 5,0 [275] предназначена для синтеза изобра-
жений различных объектов в радио-, видимом и ИК-диапазонах спектра. Модель по-
зволяет синтезировать изображения объектов в виде совокупности (до десятков тысяч)
различным образом ориентированных в пространстве треугольных и прямоугольных
фасетов (плоских элементов), а также фонов, на которых находятся объекты. С ее по-
мощью учитываются различия в температурах, излучательных и отражательных спо-
собностях объектов и фонов, а с использованием дополнительных по отношению к ос-
новной оболочке файлов — изменение положения объекта от кадра к кадру, т.е. его пе-
ремещение. В структуру модели в качестве отдельных блоков входят файлы «Атмосфе-
ра» («Пропускание», «Путевая яркость»), «Солнечное освещение», «Метеорологиче-
ские данные» и ряд других, информация с которых вместе с информацией о геометри-
ческой структуре и оптических свойствах объектов (фасетов) поступает на блок синтеза
двумерных изображений, создающий изображение объекта как излучателя. Затем в мо-
дель вводятся параметры ИКС, а на выходе появляется электронное цифровое изобра-
жение. В модели Irma 5,0 имеются два канала: один для моделирования сигналов с уче-
том поляризации, а другой — для моделирования неполяризованного излучения. Поль-
зователь взаимодействует с моделью через графический интерфейс в дружественном
интерактивном режиме.
Компанией «Martin Marietta Astro Space» разработана модель PACEOS ОЭС дистан-
ционного зондирования поверхности Земли из космоса, в основу которой положена
программа коррекции базовых изображений земной поверхности применительно к кон-
кретным условиям работы ОЭС. Модель включает типовые субмодели: «Геометриче-
ская схема работы ОЭС»; «Энергетическая субмодель взаимодействия наблюдаемого
объекта, атмосферы, помех, фонов и собственно ОЭС», «Система первичной обработки
информации, включающая в себя оптическую систему и приемник излучения», «Элек-
13.2. Краткий обзор компьютерных моделей ИКС «смотрящего» типа
335
тронный тракт обработки информации». В качестве базовых изображений, хранящихся
в банке данных, используются аэрокосмические многоспектральные (в видимой и ИК-
области спектра) фотоснимки земной поверхности. Эти изображения корректируются с
учетом изменения углов визирования, длин трасс, спектральных рабочих диапазонов,
атмосферных условий и др. Программное обеспечение модели предусматривает изме-
нения пространственного разрешения в 26 различных спектральных диапазонах, а так-
же ввод изображения цели в отображаемую сцену. Атмосферные условия моделируют-
ся с помощью программ MODTRAN (при умеренных требованиях к спектральному
разрешению) и FASCODE (при высоком спектральном разрешении). При использова-
нии разложения отображаемой сцены на 512x512 пикселов для синтеза базового изо-
бражения с помощью PACEOS требуется около 5 мин.
Компьютерное моделирование применяется и для оценки эффективности борьбы с
ИК-средствами обнаружения и распознавания целей, т.е. эффективности средств мас-
кировки и постановки помех [86]. Модель CAMEO-SIM, предназначенная для иссле-
дования этой эффективности и описываемая в [148], обеспечивает достаточно хоро-
шее качество синтезированного изображения наземных фонов в спектральном диапа-
зоне 0,4... 14,0 мкм. Она учитывает движение цели и неоднородность излучения от-
дельных ее частей, например корпуса и двигателя. Расширенная версия этой модели
позволяет воспроизвести трехцветную картину фона. Экспериментальные исследова-
ния яркости ряда фонов подтвердили достаточную для многих применений адекват-
ность модели.
Известен ряд моделей, описывающих не всю схему работы ИКС, а лишь часть ее,
чаще всего энергетические соотношения на входе системы. Некоторые из таких моде-
лей, например одна из версий упомянутой модели TTIM, служат для тренировки опера-
торов систем управления различными объектами военной техники средствами компью-
терной графики. Атмосферные условия задаются в форме таблиц коэффициентов про-
пускания и собственной яркости атмосферы для различных дальностей до цели. Поль-
зователь выбирает тип ИКС, сезон работы и состояние атмосферы, тип цели и даль-
ность, после чего на экране возникает синтезированное изображение обнаруживаемой
или распознаваемой цели, сопоставляемое (на том же или соседнем экране) с эталон-
ным изображением, не искаженным из-за влияния атмосферы и самой ИКС.
С 1990 г. для обучения персонала ВВС США и других ведомств, работающего с
ИКС, системами переднего обзора (FLIR), лазерными системами, используется модель
AIRSIM (Air Force Infrared Simulated Image Model). Для тренировки операторов этих
систем используется система TISP (Target Identification Sensor Performance), разрабо-
танная корпорацией DCS (США).
Другим примером компьютерной имитации фоно-целевой обстановки и таких важ-
ных параметров и характеристик ИКС, как шумы и неоднородность чувствительности,
формат и геометрия МПИ, передаточные функции отдельных звеньев системы, являет-
ся модель RTSIG [68]. Синтезатор изображений, создавая кадр форматом 512x512,
представляет возможность изменять уровень сигнала в диапазоне до 8 бит. Изображе-
ние записывается на магнитную пленку, а затем через жидкокристаллический дисплей
336 Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
демонстрируется оператору-наблюдателю. Работа с имитатором идет с частотой
30 кадр/с, хотя кадры могут предъявляться оператору и через 2 с.
Фирма «Coleman Research Corporation» (США) разработала модель PSW, предназна-
ченную для исследований ИКС пассивного типа, как сканирующих, так и «смотря-
щих». Эта модель базируется на разработанных ранее субмоделях целей, фонов, от-
дельных узлов ИКС.
Корпорация «АЕТ 1пс.» (США) при финансовой поддержке Лаборатории ночного
видения и электронных датчиков Армии США создала компьютерную программную
модель приемника излучения на базе КРТ — IRSIM, позволяющую анализировать влия-
ние геометрии и состава материала двумерных МПИ на выходные параметры приемни-
ка (чувствительность, выходной ток и др.). Задавая изменение концентрации легирую-
щих примесей, с помощью такой модели можно с высокой степенью достоверности
предсказывать значения этих параметров [139].
Для моделей ИКС третьего поколения с весьма малыми (сравнимыми с длиной вол-
ны оптического излучения) размерами отдельных чувствительных элементов матрич-
ного приемника важно учитывать влияние дифракции и рассеяния излучения на этих
элементах, а также геометрического (когерентного) шума на качество изображения.
При реализации способов неоднократной в пределах одного элемента выборки изобра-
жения могут возникнуть трудности оценки изображения.
В [157] описываются три метода моделирования трехмерного шума МПИ и ФПУ:
инверсии параметров шума, подбора модели спектральной плотности мощности шума
и физический. Предварительный анализ этих методов показал, что с их помощью мож-
но успешно определять минимальную разрешаемую разность температур А7р как
функцию пространственной частоты.
Таким образом, с учетом тенденций развития и усложнения ИКС их моделирование
(прежде всего компьютерное) подтверждает свою значимость как эффективного сред-
ства проектирования столь сложных оптико-электронных комплексов.
13.3. КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ КОМОС
Для компьютерного моделирования оптико-электронных систем, в частности ИКС
«смотрящего» типа, в Московском государственном университете геодезии и карто-
графии (МИИГАиК) были разработаны алгоритмы и программы, позволяющие при за-
данных или выбранных условиях функционирования конкретной ИКС получать число-
вые оценки ее качества и вести параметрический анализ и синтез [38]. Программно-
моделирующий комплекс КОМОС представляет собой взаимосвязанные субмодели,
объединенные общей оболочкой (рис. 13.3).
Модель КОМОС является аналитической, поскольку позволяет определять соотно-
шения между входом и выходом каждого блока ИКС с помощью его математической
модели. Благодаря этому можно четко проследить пути совершенствования ИКС при ее
проектировании, связь параметров и характеристик отдельных блоков ИКС с показателями
13.3. Компьютерная модель КОМОС
337
Рис. 13.3 Структура компьютерной модели КОМОС
(критериями) качества всей системы, аналитически решить проблему оптимизации сис-
темы. В модели КОМОС за основные моделируемые и рассчитываемые показатели ка-
чества разнообразных ОЭС приняты:
- отношение сигнал-шум на выходе системы или какого-либо ее блока;
- средняя квадратическая погрешность измерения или слежения, приведенная ко
входу системы;
— минимальная разрешаемая разность температур наблюдаемого объекта и фона, на
котором находится этот объект (для ИКС).
На основе этих показателей по известным алгоритмам могут быть вычислены и дру-
гие критерии, например вероятности обнаружения и ложных тревог или дальность до
объекта.
На первом этапе работы с моделью пользователь в соответствии с техническим зада-
нием составляет общий сценарий работы ИКС, задавая типы объекта (объектов), помех,
фонов, среды распространения оптических сигналов или выбирая их из соответствующих
баз данных, а также их параметры и характеристики (температуры; спектральные харак-
теристики излучения, поглощения, пропускания, рассеяния и отражения; геометрическую
структуру и размеры; взаимное расположение и др.). Кроме того, при этом может выби-
раться или задаваться угловое поле ИКС (поле обзора, мгновенное поле).
Геометрические соотношения, характеризующие наблюдаемые объекты, помехи и
фоны, определяются, прежде всего, размерами этих излучателей по отношению к угло-
вому полю ИКС и ее пространственному разрешению (точечные, площадные и протя-
женные излучатели) [61]. Многие излучатели могут быть представлены в виде участка
плоскости или совокупности таких участков, не перекрывающих угловое поле ИКС и
338
Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
характеризующихся своими размерами и направлениями векторов-нормалей к ним. Для
этого используется субмодель «Энергетическая», которая для заданного или выбранно-
го сценария обеспечивает вычисление суммарной (для объектов, помех и фонов) ярко-
сти или освещенности на входе ИКС, если пользователь задает:
- координаты излучателей, представляемых в виде отдельных поверхностей и ИКС
в трехмерной ортогональной системе или высоты расположения излучателей и дально-
сти до них;
— площади поверхностей излучателей и их оптические характеристики (температу-
ры, коэффициенты излучения, отражения и др.);
- ориентацию излучающих поверхностей в азимутальном направлении (по азимуту,
отсчитываемому от направления на север) и относительно горизонта;
- время суток, географические, климатические и другие условия работы ИКС.
Установив геометрические (геометрооптические) соотношения между излучателями
(объекты, помехи, фоны), расстояния между ними и трассы прохождения излучения,
можно учитывать влияние среды распространения оптического сигнала по этим трас-
сам на потоки излучения, приходящие на вход ИКС, выбирая из базы внешних данных
сведения (в виде числовых массивов, графиков и т.д.) о коэффициенте пропускания
среды и о ее собственной яркости, а также рассчитывая эти величины. Часто в составе
базы внешних данных или вне ее рассматривают отдельные субмодели среды распро-
странения. В общем случае они могут быть достаточно сложными, как, например, из-
вестные модели атмосферы LOWTRAN и MODTRAN, модель ГИПО, а иногда - упро-
щенными, но достаточно адекватными. В одном из упрощенных вариантов модели
КОМОС параметры атмосферы для расчета ее пропускания и излучения задаются в со-
ответствии с двухпараметрической моделью [196], описываемой модернизированным
законом Бугера-Бира, где входными параметрами являются спектральный диапазон
длин волн и табличные коэффициенты - показатели степени при экспоненте и дально-
сти до объекта (помехи, фона).
После составления сценария, описываемого основным энергетическим уравнением
ИКС [61], с помощью подпрограммы численного интегрирования методом Гаусса реа-
лизуют алгоритмы расчета эффективных значений сигналов от наблюдаемого объекта,
помех и фонов на выходе приемника излучения.
Вся требуемая информация сохраняется в виде отдельного файла, который при не-
обходимости можно просмотреть или отредактировать. Затем этот файл обрабатывает-
ся, для того чтобы установить, какие из эффективных значений составляющих входно-
го сигнала превалируют, а какие могут быть «отброшены». При такой обработке каж-
дая составляющая сигнала рассматривается как не зависящая от других. Решение о
пренебрежении малыми по значению составляющими («отбрасывание») принимает
пользователь. Результаты такого отбора записывают в отдельный файл.
На следующем этапе работы с моделью выбирают структуру и алгоритмы функцио-
нирования ИКС в целом и отдельных ее звеньев. Субмодель «Структура ОЭС» включа-
ет блоки «Оптическая система», «Приемник излучения», «Электронный тракт». Сюда
могут входить и другие блоки, например «Система стабилизации изображения» или
13.3. Компьютерная модель КОМОС
339
«Система отображения информации». Здесь же может использоваться база внутренних
данных, т.е. данных об элементной базе современных ИКС (оптическая система, при-
емник излучения, электронный тракт и др.) и типовых алгоритмах обработки сигналов
в звеньях системы (усиление, фильтрация, аналого-цифровое преобразование, кванто-
вание, корреляция и др.).
Частотные характеристики объектов, помех, фонов, оптической системы, анализато-
ра, приемника излучения, электронного тракта, системы отображения, глаза наблюда-
теля можно выбрать из баз данных, а также вычислить для известных сценария и пара-
метров отдельных звеньев системы (субмодель «Частотная»). После просмотра графи-
ков частотных характеристик производится возврат в меню частотных баз данных и
управление передается блоку «Расчет передаточной функции». Субмодель «Частотная»
обеспечивает, в первую очередь, расчет и «высвечивание» графической зависимости
передаточной функции (частотной характеристики) всей ИКС в предположении, что ее
звенья работают в линейном режиме. Зная общую передаточную функцию ИКС, кото-
рая определяется как произведение передаточных функций ее отдельных звеньев, мож-
но рассчитать критерии качества ИКС, в частности минимальную разрешаемую раз-
ность температур.
Устанавливая критерий качества функционирования ИКС в виде определенного
числа, можно решить рабочее уравнение системы, связывающее сигналы на входе и
выходе ИКС через параметры и характеристики ее отдельных звеньев, для одного из
параметров (или нескольких), входящих в это уравнение. При параметрическом анали-
зе с помощью модели можно установить зависимость того или иного критерия качества
(выходного параметра) ИКС от изменяемого в процессе работы с моделью конструк-
тивного или иного параметра, входящего в рабочее уравнение.
В общем виде модель представляет собой интегрированный пакет программ раз-
ных уровней. Программное обеспечение, имеющее диалоговый режим для работы с
банками субмоделей и базами данных, благодаря большому числу обратных связей
позволяет:
- создавать базы данных для решения поставленных задач;
- формировать различные варианты решаемых задач;
- управлять процессом решения задач;
- проводить многопараметрический анализ моделируемой ИКС.
В основу разработанного программного обеспечения были положены следующие
принципы:
- «древовидная» (разрастающаяся) структура модели, позволяющая подключать
внутри одного уровня новые субмодели, базы данных, каталоги и др.;
- многоуровневость модели, т.е. использование иерархических ниспадающих (вер-
тикальных) меню для задания и уточнения необходимых характеристик и параметров;
- гибкость связей отдельных уровней, т.е. возможность объединять базы данных
разных уровней с помощью одного из них, например критерия качества или сценария,
что технически реализуется с помощью общих операторов и блоков;
340
Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
- вложенность отдельных уровней в виде оконных меню, число которых практиче-
ски не ограничено, что достаточно легко реализуется внутри оболочки WINDOWS с
помощью объектно-ориентированных языков Visual Basic и Delphi;
- адаптивность к другим компьютерным средам как внутри модели, так и в базах
данных;
- параллельно-последовательная работа основных взаимосвязанных субмоделей
«Энергетическая» и «Частотная» при их одновременном использовании и возврат в
субмодель «Энергетическая» на требуемый уровень без повторения первоначального
входа;
- длительное хранение вновь созданных файлов с данными, например, спектраль-
ных характеристик приемника излучения не только внутри одного сеанса работы, но и
при многократном повторении, в .час тности для оптимизации критерия качества работы
ИКС с помощью файлов с расширением;
- использование режимов компьютерной графики для синтеза изображений сцена-
риев работы ИКС и изображений оконных меню баз данных. Реализация компьютерной
статической и динамической (подвижной) графики основана на применении графиче-
ских режимов SCREEN 7, SCREEN 9, SCREEN 12 с максимальным разрешением до
680480 пикселов по полю экрана и использовании 16-цветной гаммы;
- обеспечение не только визуального высвечивания данных, например, спектраль-
ных характеристик объектов, помех, фонов, коэффициентов излучения, но и их считы-
вания и запоминания;
- проверка правильности работы пользователя с моделью; так, при правильном за-
дании всех исходных данных (географических условий, сценария, объектно-фоновой
обстановки, температуры объекта) должна высвечиваться визуальная графическая сце-
на (картина), отражающая выбранный сценарий и условия работы ИКС.
Перечисленные принципы построения программы реализуются при использовании
системной оболочки WINDOWS. С учетом присущей ей относительной сложности
обеспечения взаимосвязей различных уровней меню и параметров внутри них один из
вариантов модели был разработан на алгоритмическом языке Turbo Basic для персо-
нальной ЭВМ с объемом оперативной памяти не менее 40 Мбайт и внешней памяти -
не менее 1 Гбайт. Для устранения такого недостатка среды Turbo Basic, как невозмож-
ность обеспечить вложенность составляющих модель подпрограмм, был разработан
имитационный метод вложенности отдельных уровней.
13.4. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ФУНКЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ
ЗВЕНЬЕВ ИНФРАКРАСНОЙ СИСТЕМЫ
Приведем выражения для передаточных функций (частотных характеристик) от-
дельных типовых звеньев ИКС [61, 142, 151 и др.], которые могут быть в соответст-
вии с (13.1) использованы для вычисления общей передаточной функции ИКС
13.4. Передаточные функции отдельных звеньев ИКС
341
ЯиксСЛ) ~ ^?оэс(Л)> входящей в формулы для важнейших показателей качества
ИКС, например минимальной разрешаемой разности температур (см. гл. 4). Для уп-
рощения записи будем использовать одномерную форму представления этих выра-
жений, принимая за аргумент передаточных функций пространственную fx или вре-
менную f частоту. При моделировании отдельных звеньев эти передаточные функ-
ции обычно ограничивают пространственными частотами, на которых значения
функций положительны.
13.4.1. ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Ее передаточная функция может быть представлена в виде произведения трех со-
ставляющих:
СоптСЛ) = СдифСЛ) саб(А) Срф(Л),
(13-2)
где Сдиф(/Л), Саб(/х), Срф(/Л) - составляющие, учитывающие дифракционное и абераци-
онное размытие идеального изображения, а также расфокусировку.
Входящие в (13.2) сомножители определяются:
- для системы с неэкранированным круглым входным зрачком
G^«) =
arccos
(7/J Df
при 'kfxl 7) < 1,
при X/"< / D > 1.
Для Ху"л/7)<0,6 иногда принимают СД11ф(/Л)«1-1,218Х/х/D. Здесь и далее: X - длина
волны, D - диаметр входного зрачка;- для центрально-ограниченной (центрально-
экранированной) системы с кольцевым зрачком, имеющим внутренний диаметр (на-
пример, диаметр контррефлектора dKp)
где &экр dxp/D,
( q >
- { arccos (X/ / D) - (X/, / £)[ 1 - (V, / £>)2 T'2} при 0 < \fx ID < 1,
<71J
при 'kfj D> 1;
B = \
{arccos (Х/л/£Э1ф£>)-(Х/х/ЛЭ1ф£))[1-(Х/л./£Э1ф£))2]|/2} при 0 < X< / ^7) > 1,
при Х/,/Лэч,7)>1;
342
Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
~^sm аэ + (1 + к2 ) аэл1 - 2(1 - к2 ) TT’arctg-—А1*----2к2
* " (l-^)tg(a3/2) экр
С = при^< +
2 D 2
п А/ 1+ ^эк»
D 2
а, = arccos {[ 1 +кг^ -(Х/х/Г)2]/(2Лзкр)}.
Составляющая для значения волновой аберрации Gw (среднего квадратиче-
ского отклонения формы волны, искаженной аберрацией; от идеальной сферической),
выраженного в долях длины волны А,, определяется как
<?«.(/.)”!- (о ./ОД 8)'[ 1 - 4(V,/O - 0,5)’ ].
Часто функцию рассеяния точки, определяемую аберрациями, представляют в виде
гауссоиды. Для одномерного случая (по оси х) gDm(x) - exp [ - р2/(2о2)], и тогда
G-(7.)“cxp[-2(nqf,)’], (13.3)
где р - радиус кружка рассеяния; о - среднее квадратическое значение радиуса аберра-
ционного кружка рассеяния, в котором сосредоточено /?% потока, образующего этот
кружок в о = Яа6/{21п[1/(1-р)]}1/2или с = 2,07ра6 + 0,009г|2б-0,42т^б; Яаб - радиус абер-
рационного кружка рассеяния, котором содержится /?% потока; т]аб - угловой размер
аберрационного кружка рассеяния, рад.
Если значение расфокусировки в миллиметрах равно Д, то для входного зрачка лю-
бой формы
где./] - функция Бесселя первого рода; Д = 28лсуи(л/’л//))(1А/'1/Л).
Для низких пространственных частот fx иногда принимают
G^(/,)«rinc(4C/0.
где I - расстояние от объекта до передней главной плоскости приемной оптической
системы (объектива).
13.4.2. МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ
Двумерная передаточная функция мозаичного приемника часто представляется в
следующем виде:
13.4. Передаточные функции отдельных звеньев ИКС
343
Gm(f. fy) = Gmr(fx,fy)Gm^f,fy), (13.4)
где Спи г (fx, fy) учитывает форму чувствительных элементов МПИ, a GnH Выб (fx, fy) - про-
странственную выборку, осуществляемую МПИ.
Двумерная передаточная функция Спиг (fx,fy) приемника с угловыми размерами аЛ и
Оу, наблюдаемыми из центра выходного зрачка по осям х и у, соответственно, опреде-
ляется как
Gm^(ffy) = сслаД5т(лах/х)/(лал/х)] [зш^а/ДДпа^Д)],
где пространственные частоты fx^fy имеют размерность «период/миллирадиан», если
ах и ау берутся в миллирадианах.
Если по осям хну осуществляется пространственная выборка с периодами аВЫбх и
Сквибу, ТО
Gm^(f,fy) = [зтСла^/ДДла^/Д],
Если в качестве МПИ используется ПЗС-приемник, в (13.4) добавляется сомножи-
тель G3$(fx), учитывающий размывание импульсной реакции приемника из-за неэффек-
тивности переноса зарядовых пакетов в ПЗС [26] и зависящий от расположения изо-
бражения на фоточувствительном слое ПЗС, т.е. от пространственного фазового сдвига
изображения относительно растра ПЗС. Часто принимается некоторое усредненное по
этой фазе положение, и соответствующий сомножитель в (13.4) имеет вид
^(Z,4)={exp{-W-£)[l-cos^//N)/A]}r,/2,
где N - число ячеек ПЗС, проходимых зарядовым пакетом по направлению х его пере-
носа; е — коэффициент эффективности переноса зарядов в ПЗС; Tn — частота Найквиста
для ПЗС-фотоприемника.
Если в МПИ имеет место эффект растекания зарядов, например в случае МПИ с об-
лучением задней поверхности чувствительного слоя, в выражении для GnH появляется
дополнительный сомножитель [ 1 + (2л/х£д)2]учитывающий этот эффект. Здесь La -
диффузионная длина растекания зарядов.
13.4.3. ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАКТ
В фотоприемном устройстве при образовании зарядов, их выборке и мультиплекси-
ровании происходит превращение двумерного оптического сигнала в одномерный
электрический. Связь между пространственной частотой fx (в периодах на радиан) оп-
тического сигнала и временной частотой f (в герцах) соответствующего ему электриче-
ского сигнала при скорости vx (в радианах на 1 с) выборки оптического сигнала по на-
правлению х определяется простой зависимостью: f-fxvx.
344 Глава 13, Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
Ввиду большого разнообразия электронных трактов современных ИКС невозмож-
но выразить в достаточно общем виде (_?Э(Д) или G3(f). Поэтому приведем передаточ-
ные функции некоторых используемых на практике элементов электронных схем
ИКС [142].
Часто усилитель с полосой пропускания Д/описывается характеристикой вида
<?„(/)=(13-5)
где кф - показатель степени, определяемый типом (порядком) фильтра, применяемого в
усилителе (для низкочастотного фильтра кф = 1; для простого полосового Лф=2; для
фильтра Баттерворта кф = 4).
Для видеоусилителя с корректирующим фильтром, «поднимающим» частотную ха-
рактеристику на частоте/,
G,. (/) = |/( [1 - (///.У ]+[//(24)]! г ,
где Q - так называемый коэффициент качества фильтра [142].
Цифровые фильтры, применяемые в электронном тракте ИКС (см. рис. 9.1), описы-
ваются следующими частотными характеристиками:
2^ Ак cos(2itkf/ fA) для нечетного порядка,
2^ Ак cos [2л cos(A' -1) / / fA ] для четного порядка,
. *=1
где - число полос цифрового фильтра; Ак- амплитуда частотной характеристики на
к-й частоте (в к-й полосе);/ - частота полос фильтра.
Для ИКС «смотрящего» типа характерно так называемое сжатие передаточной
функции, обусловленное редукцией пространственных частот при наложении спектра
основного сигнала и побочных спектров, возникающих при выборке (см. § 9.2). Поэто-
му при превышении частоты Найквиста значения передаточных функций электронного
тракта рекомендуется умножать на некоторый меньший единицы коэффициент, зави-
сящий от параметров конкретной системы и параметров выборки [113]. Иногда можно
просто уменьшить граничную частоту передаточной функции электронного тракта, а
также умножить передаточную функцию электронного тракта или всей ИКС на усред-
ненную передаточную функцию выборки ЛВЫХ(Д) (см. § 9.2).
13.4.4. СИСТЕМА ОТОБРАЖЕНИЯ
Передаточная функция системы отображения на ЭЛТ часто имеет вид:
б=элт(Л) = ехр(-0,5о’/х2),
13.4. Передаточные функции отдельных звеньев ИКС
345
где ат - средний квадратический размер пятна размытия на экране ЭЛТ, принимаемый
равным 0,545^ (SCTp - расстояние между центрами соседних строк развертки изображения).
Передаточная функция светодиодной или электролюминесцентной панели, состоя-
щей из отдельных светящихся элементов прямоугольной формы, описывается функци-
ей вида
= aAsinc(aflZ),
где ад - размер элемента дисплея; sine (ад/) = [8т(лад/х)]/(лад/).
Отметим, что если к системе отображения относятся реконструирующий фильтр
(см. рис. 9.1), а также оптическая система для наблюдения экрана дисплея, например
окуляр, то выражение для будет включать в виде сомножителей (в линейном
приближении) передаточные функции этих звеньев.
13.4.5. ГЛАЗ НАБЛЮДАТЕЛЯ
Как отмечалось в гл. 11, достаточно общего количественного описания свойств зри-
тельного аппарата человека-наблюдателя в настоящее время не существует. Очевидно
поэтому для описания пространственно-частотной характеристики человеческого глаза
GrJI(/x) используют самые различные аналитические зависимости.
Такую характеристику можно представить в виде произведения передаточных
функций G3p - зрачка, GceT — сетчатки и 67^ - тремора (колебаний линии визирования,
совершаемых в процессе наблюдения):
Сгл(Л) =
В [113] приводятся следующие выражения для этих функций:
^Р(Л) = ехр[-(43,69/л/Л0Г],
Ссет(/Х) = ехр(-О,375/;21),
^(Л) = ехр (-0,444/л2),
где fx - пространственная частота, период/рад; Д =ехр(3,663-0,0216D21g £>зр);
=(о,7155 + 0,277/TzT)2; £>зр =-9,011 + 13,23exp(-lgL/21,082); L - яркость наблюдае-
мого поля, например, дисплея, выражаемая в миллиламбертах.
В [116] функцию, описывающую зависимость порогового контраста глаза от про-
странственной частоты, т.е., по сути дела, (?ГЛ(Д), предложено использовать в следую-
щем виде:
540(1+0,7/L)'0-2/
1 + 12/(747(1 + 0, ЗЗ/)2]
ехр(-bf)[1 + 0,06exp(fe/)]°-51 ,
346
Глава 13. Компьютерное моделирование ИКС «смотрящего» типа
где L — яркость дисплея системы отображения, кд-м 2; fx - пространственная частота,
период-град"1; Лиз -угловой размер изображения, град2; b = 0,3(1 + 1OO/Z)0,15.
13.4.6. ПЛАТФОРМА ИЛИ ОСНОВАНИЕ,
НА КОТОРОМ УСТАНОВЛЕНА СИСТЕМА
Поскольку качество изображения, воспринимаемого наблюдателем, зависит от ли-
нейных, гармонических и случайных перемещений системы относительно неподвиж-
ной наблюдаемой сцены, в передаточную функцию ИКС в качестве одной из состав-
ляющих входит функция GochQ^), которая описывает пространственно-частотный
спектр этих перемещений и которую можно представить в виде произведений трех не-
зависимых составляющих: Слин(4), GCHH(A) и GM(4), учитывающих возможные линей-
ные, гармонические (синусоидальные) и случайные перемещения оптической оси сис-
темы, т.е. и изображения. Часто функция GWH(/;) = GJimi(/A)GCHH(A)Gcn(/A) служит для
оценки качества стабилизации оптической оси системы, расположенной на подвижном
основании.
Достаточно часто на практике пользуются следующими выражениями:
= sine
G^) = ^nasfx),
<?„(/,)=exp [-2(ла,у ].
где v — скорость перемещения оптической оси (изображения) вдоль оси х, tm — время
интегрирования сигнала на выходе системы; Jo - функция Бесселя нулевого порядка:
./{1(х)~1-х2/4 + х2/64-х6/2048 + х”/147456 для 2л«/а<3; as - амплитуда синусои-
дального колебания; о, - среднее квадратическое отклонение случайной амплитуды,
задаваемой в угловой мере.
Глава 14
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
«СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
14.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННЫХ ИКС
«СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
Для анализа существующего состояния разработок ИКС «смотрящего» типа и оценки
возможностей их применений в самых различных областях науки, техники, военного де-
ла и т.д. авторами была составлена таблица основных технических параметров и характе-
ристик таких систем, построенных на базе твердотельных матричных МПИ (табл. 14.1).
Авторы включили в нее наиболее характерные примеры из огромного перечня раз-
работок ИКС «смотрящего» типа, проведенных или проводимых большим числом оте-
чественных и зарубежных организаций и фирм. При этом предпочтение отдавалось
системам, параметры и характеристики которых наиболее полно (и достоверно!) отра-
жены в разнообразных открытых публикациях. Для некоторых ИКС приводятся реко-
мендации разработчиков и изготовителей по их применению в различных областях
науки и техники.
Нужно отметить, что сегодня наибольший интерес вызывают ИКС на базе неохлаж-
даемых МПИ и ФПУ. Так, на ежегодной конференции SPIE (15th Annual Intern. Symp.
on Aerospace/Defense Sensing, Simulation and Control, Orlando, Florida, 16-20 April 2001)
наибольшее число докладов (22 из 12 стран) было посвящено именно им.
Очень многие ИКС, разрабатываемые у нас в стране и за рубежом, являются систе-
мами широкого назначения, т.е. используются или могут использоваться для решения
разнообразных задач: ведения наблюдения и разведки; скрытой охраны объектов без
применения демаскирующих подсветок; обнаружения людей и животных при аварий-
но-спасательных работах; диагностики различных видов заболеваний; контроля тепло-
вого режима энергетических установок и промышленного оборудования; дефектоско-
пии; обнаружения утечек в нефте- и газопроводах и теплотрассах; мониторинга окру-
жающей среды и т.д. Примерами подобных систем являются системы «ЛИК-2» и «Та-
лисман» (Россия), LTC-500 и UL3 «OMEGA» (США), «LAIRD-ЗА» (Япония) и др.
Многие современные ИКС являются хорошими примерами использования «двой-
ных» (гражданских и военных) технологий. Табл. 14.1 и 14.2 убедительно подтверждает
Таблица 14.1
Параметры инфракрасных систем с матричными многоэлементными приемниками излучения
Ms п/п Фирма- изготовитель, страна Тип или марка Основные области применения Спектральный рабочий диапазон, мкм Диапазон контролируемых величин, °C Диапазон рабочих температур (окружающей среды), °C Габариты, мм Масса, кг Потребляемая мощность, Вт Время выхода на рабочий режим после включения, мин Напряжение питания, В
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 «Raytheon Infrared», США SERIES 3Q0 Мониторинг окружающей среды, медицина, полиция, промышленность 7...14 — -40...+70 75x120x100 0,68 0,5...1,5 9...32
2 SERIES 2000В Охрана, разведка, промышленность Тоже - -30...+66 95x120x100 0,8 То же 9 ...36
3 PalmIR 250 Тоже -//- - -20...+49 155x102x102 0,86 <3,5 <0,5 6
4 PalmIR Pro Контроль промышленного и энергетического оборудования -//- 500 -20...+50 254«140х102 1,8 <7 То же То же
5 Explor IR Промышленность, строительство -II- -20...+900 0.. +40 266x152x140 2,6 <15 - 12
б W1000-9 Прицелы стрелкового оружия 8..12 - -32...+49 360x110x120 1,7 -
7 VISE Стрелковое и танковое вооружение, космос 8...14 - —40... +71 - - <4,5 - -
8 Night Driver Транспорт 7.. 14 - -40 ...+75 235x285x110 120x105x125 - <7 <0,75 -
9 Radiance HSX Разведка, охрана, термография, контроль 3...5 — -10...+50 130x145x173 4,1..5,5 <50 <10 8...32
10 LWSS Военная техника 8. 14 - - - - 5 -
11 Control IR Модуль 7..14 - 0 +60 - - - <0,17 -
12 Radiometric 500 Радиометрия, контроль Тоже 0...300 0 +40 254x140x140 2,18 <8 I -
13 SB-212 (ФПУ) SB-246 (Схема считывания) Наблюдение, разведка, прицеливание, охрана и др. 8. .14 — 277x195x137 <2 —
348_________Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Продолжение табл. 14.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
14 «FLIR Systems», США THERMOVISION IRMV 320V, 320 С Термография, техническое зрение 7,5... 13,0 -20...+500 (1500,2000) -15...+50 212x121x127 3 13...16 - 11,5..16
15 ThermoCAM SC 500 To же То же -40. ..+2000 -15...+50 - 2,6 То же - Тоже
16 ThermoVision SENTRY Военная техника, охрана границ -//- - -32.. +50 380x280x230 16,4 35 <0,15 18..32
17 MOLCAM-XPTM Разведка 3...5 - - 360x155x119 2,5 6 - 6
18 MIRV Разведка, охрана Тоже - -32...+49 355x132 <1,6 5 - 6...28
19 ThermoCAM SC 1000 Термография 3,4...5,0 -10...+2000 -15...+50 210x114x89 2,7 11 <6 8
20 ThermoCAM SC 3000 Военная техника, промышленность, медицина 8...9 -20...+2000 -15...+50 220x135x130 3,2 22 То же 12
21 «Boeing», США UM FLIR Военная техника, противопожарная техника, охрана, термография, медицина 8...12 -30...+54 114x152x304 <3,5 <15 <1 9...18
22 Gimbaled Uncooled Sensor Тоже То же - -20...+60 362x254 10,8 <200 То же 12...28
23 MISTVPortable FLIR -//- 3,8...4,8/ 3,8...4,8 (3,2...4,7) - -//- -/114x152x304 9,6/3,6 <35/<24 <7 17...32/ 12...24
24 «Bullard», США Bullard T3 Термография, борьба с пожарами 8...14 - - 102x102x178 2,61 3 <0,09 10
25 «CEDIP Infrared Systems», Франция Jade VC Дистанционный контроль транспорта, охрана, наблюдение, контроль 8...12 260x115x145 2,5 15 — 24
26 «OPGAL», Израиль EVS FLIR/ Storm-EYE Транспорт, борьба с пожарами 1,3...5,5/ 8...12 - 0.. +45/- - - 70/- - 28/12
27 «Nikon», Япония LAIRD-S270 Термография, контроль, охрана 3...5 -20...+250 0. +40 98x120x165 2,5 58 - 100...240
28 LAIRD-3A Термография, системы технического зрения, охрана, транспорт, служба спасения То же -20...+300 0.. +40 100x120x165 2,5 50 100. .240(12)
29 «Indigo Systems», США UL3 ALPHA Наблюдение, охрана, разведка, нашлемные противопожарные системы, контроль сооружений 7,5...13,5 0...+70 (0...+600) 0.. +55 43x43x76 0,186 1,5...2,5 0,03 5...30
14.1. Общая характеристика современных ИКС
Продолжение табл. 14.1
о
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
30 «Indigo Systems», США UL 3 OMEGA To же Тоже 0...150 (0.. .400) -40...+55 35x33x48 0,102 1 - -
31 Merlin- Near/Mid/Long -//- 0,9... 1,68/ 1,0.. .5,4/ 8...9 250...2000/ 0...2000 - 102x114x204/ 140x127x249/ -//- 1,5/4,08 - - —
32 Merlin Uncooled -//- 7,5... 13,5 0...+1000 - 102x114x204 1,58 - - -
33 «NVT (NightVision Technology Со)», США Poseidon Промышленность, ракетная техника 3...5 - -10..+60 - 6 50 <6 28
34 Leopard Термография в промышленности и энергетике 8 12 -20...+400 0...+40 119x99x198 <2 <12 - -
35 Neptune Военная техника, водный транспорт 3...5 - -10...+50 473x375x190 25 100 <8 24
36 LYNX Дистанционный контроль 8...12 - 0...+40 114x99x246 <2 <10 - 110(240)
37 Med Vision Медицина, биология 3...5 10. +50 - - - 110 <6 -
38 «Lockheed Martin IR Imaging Systems», США LTC50O Транспорт, прицелы, медицина, термография 7,5...14,0 -50...+160 — 114x127x320 2,4 <10 <0,5 4 .29
39 «SAGEM», Франция LUTIS DVE Транспорт 8...12 — 90x86x234 (камера) 133x210x150 (дисплей) 1,8 (камера) 3,2 (дисплей) 20...32
40 LUTIS Binocular Ручной бинокль То же - - - 1,8 4...6 <0,5 7...32
41 «DIOP», США HH 750 TC Наблюдение -//- - -5... +60 107x198x232 1,36 - - 6
42 ЦНИИ "Электрон", Россия TVC200ML Промышленный контроль, медицина 1,8. .5,3 - - 240x190x105 (без объектива) 6 (без объектива) - - 220
43 Талисман Охрана, обнаружение пожаров, вождение транспортных средств 8...14 — -10...+40 310x156x115 2,7 —
44 TH-3/TH-4 Промышленный контроль, контроль трубопроводов 8... 13/8...14 -30...+300 0...+40 - - - - 220(12)
45 ИКОЭМ Наблюдение, целеуказание, ракетная техника, астрономия 3 .5 - — — — — — —
46 «QWIPTECH», США QT 100M/QT 100S (QT200S) - 8,6/8,6 - -20...+70/- - - 7 24/12, 18,24
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Окончание табл. 14.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
47 «AEG Infrarot - Module GmbH», ФРГ AIM CAM Контроль в строительстве, промышленности, на транспорте 3,25...5,0 — —40. ..+50 220x100x100 1,7 <12 - —
48 «ВАЕ Systems», Великобритания Condor LW Дистанционный контроль 8...10 - -45...+70 - - <10 - 7
49 LUTE Стрелковое оружие, наблюдение 8...14 - - 310x100x100 1,5 - - 4...9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
50 ЗАО "Матричные технологии", Россия ЛИК-2 Наблюдение, разведка, охрана, медицина, дефектоскопия и др. 3...5 — -15...+50 120x160x220 2,1 (3,2) - — 12
51 «СМС Electronics Cincinnatti», США Night Conqueror 256 Военная техника 3,6...5,0 - -32...+55 165x71x71 1,3 16 - 15
52 Night Master Разведка, стрелковое оружие 3...5 - - - 2,8 12 - 6
53 DTAS Военная техника 3,5...4,9 - -32...+65 - - 26 - -
54 IRRIS-256 T Контроль в промышленности 2,2...4,6 - - 282x113x138 3,2 30 - 24
55 «Delft Sensor Systems», Нидерланды LION Разведка 8...12 - - 100x200x240 1,5 7 - 9,24
56 «NEC San-ei, Instruments, Ltd», Япония TH71202MX Термография, контроль в промышленности и строительстве 8..14 -20...+2000 -15...+50 97x110x169 1,6 6 - -
57 TH7102 WX -^0. +2000 - -
58 «FLIR Systems» (США-Швеция) ThermoVision A20M То же 7,5...13 -20...+250 +120...+900 -15...+50 НО...+70) 157x75x80 0,8 То же - 110/220 (12/24)
59 ThermaCAM E2 -//- То же -20...+250 +120...+900 -15...+45 (-40...+70) 265x80x105 0,7 - - 11...16
60 ThermaCAM P60 -//- -//- —40...+ 1200 0...+500 до 2000 -15...+45 (-40...+70) 100x120x220 2 - - 110/120 (12)
14.1. Общая характеристика современных ИКС
LU
LA
Параметры основных блоков ИКС, представленных в табл. 14.1
Таблица 14.2
№ п/п Фирма- изготовитель, страна Тип или марка ИКС Оптическая система Приемник излучения Электронный тракт Примечания
Диафраг- менное число объектива К Фокусное расстояние объектива мм Угловое поле объектива, угл. градус Тип приемника, материал чувстви- тельного слоя Рабочая температура (темпера- тура охлаждения, температура стабили- зации), К Формат, пиксел Размер (период размеще- ния) пикселов, мкм Эквивалент- ная шуму разность температур (АЛ, NETD), мК Частота кадров, Гц Разряд- ность цифрового выхода, бит
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1 «Raytheon Infrared», США SERIES 300 1...8 18 46*35 Микроболо- метр 300 320*240 50 80 (№ 1) 30 - -
2 SERIES 2000В Тоже То же То же Тоже Тоже Тоже То же То же То же 9...14 Возможно изменение формата МПИ до 160*120
3 PalmIR 250 1 25... 150 (36*27)...(6*4,4) -II- -II- -//- -//- 100 -//- - -
4 PalmIR Pro Тоже То же То же -II- -II- -II- -II- 50...100 (№1) -II- - -
5 Explor IR - 35 (70) 26*19 -II- -//- -//- -II- 30 (ЛГ=1) -II- - -
6 W1000-9 - - 9*6,75 -II- -II- -II- -II- 150 -II- - -
7 VISE 1 - - -II- -II- -II- -II- 50 (№1) 30...60 - -
8 Night Driver - - 12*9 -II- -II- -II- - - - 12 Изображение проецируется на лобовое стекло
9 Radiance HSX - 13...500 0,9...32,9 InSb 77 -II- 30 25 <480 Тоже -
10 LWSS 0,7...1,0 — — Микроболо- метр 300 320*240 50 <20 (№!)...< 74 (№2,1) <60 — —
11 Control IR - - - То же Тоже 160*120 46,8 < 100 - - -
12 Radiometric 500 1 50 18*13,5 -//- -//- 320*240 < 100 50 (60) 12 -
13 «Raytheon Infrared», США SB-212 (ФПУ) SB-246 (Схема считывания) Тоже — - -II- -II- 320*240 (160*120) 25 <50 60 —
14 «FLIR Systems», США THERMOVISION IRMV 320V, 320 C - 75(150) (7*5,3) . (80*60) -II- -II- 320*240 - 100 50...60 - -
15 ThermoCAM SC 500 - - - -II- -II- Тоже - То же То же -
352 ________Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Продолжение табл. 14.2
12 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
16 Thermovision SENTRY - - (24*18). (6*4,5) -//- -//- -//- - -//- - - -
17 MOLCAM-XPTM - - 1,8x6 InSb 77 256*256 - 25 - - -
18 MIRV 4 75(150) 5,8x5,5 (2,9x2,7) Тоже Тоже То же - 20 - - -
19 ThermoCAM SC 1000 - 500...1500 (32*34)...(2*2,1) PtSi 70 -//- - <70 50...60 12 1
20 ThermoCAM SC 3000 - - (20x15)...(2,5x1,88) GaAs ФКЯ To же 320*240 - 20 Тоже 14 -
21 «Boeing», США UM FLIR 0,8 75 12,4x9,3 Микроболо- метр 300 Тоже 51 <100 60 12 -
22 Gimbaled Uncooled Sensor 1,0 (0,8) 22 (75) 40x30 (12,4x9,3) To же Тоже -//- Тоже Тоже - Тоже -
23 MISTI/Portable FLIR -/3 — 2, 8,20/ 11,5; 2,3; 6.9 KPT 95 ±5 240*320 (480x640)/ 256*256 (240*320) 30 (27)/40 (30) 25/30 >60/- 12/12 —
24 «Bullard», США Bullard T3 1,0(0,87) 18 60 Микроболо- метр - 160*120 (320*240) - <100 30 - -
25 «CEDIP Infrared Systems», Франция Jade VC 1 40, 60, 75 22x16,15x11, . 12x9 To же - 320*240 51 < 120 Тоже - - i
26 «OPGAL», Израиль EVS FLIR/ Storm-EYE -/1.0 -/101 30x24/8,45x6,33 InSb/ Микроболо- метр - То же - 5/100 30/60 -
27 «Nikon», Япония LAIRD-S27O - - 19,4x11,5 PtSi - 475*442 - 90...200 30 - -
28 «Nikon», Япония LAIRD-3A 1,2 21 25’19,40x30, 15x11 Тоже 77 537*508 - 90...150 90... 20 - -
29 «Indigo Systems», США UL3 ALPHA 1,6 11, 18,30 25x19,40*30, 15x11 Микроболо- метр 300 160*120 51 100 25(30) 12 -
30 UL3OMEGA - 18,3 25*19,40*30, 15*11 Тоже 300 160*120 (320*240) 25,4...51 <85 Тоже То же -
31 Merlin- Near/Mid/Long 2,5 (4,1) 25 (50) 13(100) 22*16(11*8) InGaAs/ InSb/ ФКЯ -/300/77 320*256 30 4 1О10 фотон/см’-с/ < 25/< 30 30...60 -//- -
32 Merlin Uncooled 1,3 13..200 (4,7*3,5)...(64*50) Микроболо- метр 300 320*240 51 < 100 25 (30) - -
33 «NVT (NightVision Technology Со)», США Poseidon 1.8 50 9,2*7,0 PtSi - Тоже 25 <90 - 12 -
34 Leopard 1,0 35 24*19 Микроболо- метр - 320*240 51 <80 30 - -
35 Neptune 1,8 100(300) 9,09*6,93 (3,05*2,32) PtSi - 640*486 25*25 <90 - 12 -
14.1. Общая характеристика современных ИКС
Продолжение табл. 14.2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14
36 LYNX 1,4 50 18x13,5 Микроболо- метр 300 320x240 51 <80 - - -
37 Med Vision 1,8 - 16,5x12,4 То же Тоже То же 30 <70 30 12 -
38 «Lockheed Martin IR Imaging Systems», США LTC500 0,8 16..200 4,3...50,6 (гориз) -//- 300 327*245 (К=1, Fk = 30 Гц) 46,25 < 100 60 15 —
39 «SAGEM», Франция LUTIS DVE - - 40x30 -//- -//- То же То же То же Тоже То же -
40 LUTIS Binocular - - 8,5x6,5 -II- -//- 320x240 -41- -//- - -
41 «ШОР», США HH750TC 1 18...50 (48x37)...(18,5х 14) Микроболо- метр -II- То же 51 <80 60 - -
42 ЦНИИ "Электрон", Россия TVC200ML — — — PtSi 77 256x290 50x33 100 25 12 Заливной криостат, время непрерывной работы 4...6 ч
43 ЦНИИ "Электрон", Россия Талисман — 18/50 40/18 Пировиди- кон 300 — — То же — — Разрешение: 220x150 ТВЛ
44 TH-3/TH-4 - - - То же То же - - 350/450 25 — Разрешение: 150x160 ТВЛ
45 ИКОЭМ - - - - 78 256x256 40 - То же 12 -
46 «QWIPTECH», США QT 100M/QT 100S (QT 200S) 2/2 13...100/ 13...100 — ФКЯ 62...68 320x256/ 320x256 (640x512) 30/30 (25) <25/- <100/ <350 (<107) 12/- —
47 «AEG Infrarot - Module GmbH», ФРГ AIM CAM 1,5 50 7x7 InSb 77 256x256 24 <100 50 8
48 «ВАЕ Systems», Великобритания Condor LW - - - ФКЯ 70 320x256 30 20 - - -
49 LUTE - 50 16 Микроболо- метр 300 256x128 56 < 100 50 - С микросканиро- ванием
50 ЗАО «Матричные технологии», Россия ЛИК-2 — Тоже 10...12 PtSi <80 256x256 (128x128) <30 20 . 40 30 - —
51 «СМС Electronics Cincinnatti», США Night Conqueror 256 4 - 8,8x8,2 InSb 77 256x256 30 16 - 14 -
52 Night Master Тоже 250 1,76x1,76 То же То же То же Тоже 20...40 30 -
53 DTAS - - 9,1x8,5 -//- -II- 640x512 28 - - -
54 IRRIS-256 T - - 8,7x8,7 -//- -II- 256x256 30 20...40 30 - -
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Окончание табл. 14.2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
55 «Delft Sensor Systems», Нидерланды LION — - 10x5 Микроболо- метр 300 512x256 - 100...150 - - -
56 «NEC San-ei, Instruments, Ltd», Японии TH71202 MX - - 29x22 To же Тоже 320x240 - 80 7,5...60 14
57 TH7102WX - - To же -//- -//- Тоже - То же То же То же -
58 «FUR Systems» (США-Швеция) ThermoVision A20M - 300 (1200 100) 25x19 (12x9,45x34) -//- -II- 160x120 - 120 50/60 16 -
59 ThermaCAME2 — 300 25x19 -//- -II- То же — То же Тоже - Цветной ЖК дисплей,встроенная ФЛЭШ - память на 50 иззображений
60 ThermaCAM P60 To же 24x18 -II- 320x240 80 -//- 14 Цветной ЖК. 640x480 пикселов, встроенная флэш- память на 50 изображений
14.1. Общая характеристика современных ИКС
w
СЛ
356 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
это. В статьях и различных рекламных материалах фирм-производителей возможность
такого использования непрестанно подчеркивается.
14.2. ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ ВОЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Как уже отмечалось, прообразом многих ИКС, используемых в промышленности, на
транспорте, при обеспечении работы правоохранительных служб, в противопожарных
комплексах и т.п., были системы военного назначения. Развитие инфракрасной техники
с самого начала тесно связано с необходимостью обеспечения боевых действий ночью
и при плохой видимости, а в последнее десятилетие - с разработкой и эффективным
применением высокоточного вооружения. Армии передовых стран Запада широко ос-
нащены самыми различными ИКС, в том числе и «смотрящего» типа (табл. 14.2).
В табл. 14.3 представлен ряд приборов многоцелевого назначения, например уни-
версальные монокуляры, очки ночного видения, приборы для вождения транспортных
средств, которые будут рассмотрены далее.
Если сравнить номенклатуру ИКС военного назначения [160] выпуска 1998-
2001 гг., то станет очевидна тенденция к увеличению числа работающих в
спектральных диапазонах 3...5 и 8...12 мкм систем на базе твердотельных матричных
МПИ, которые во многих случаях успешно заменяют электровакуумные фотоприемные
устройства, чувствительные лишь в ближневолновом ИК-диапазоне. Вместе с тем ИКС,
работающие в этом диапазоне, также продолжают совершенствоваться. Так, все больше
систем военного назначения создается на основе гибридно-модульных преобразо-
вателей (ГМП), рассмотренных в гл. 8. Системы с ГМП используются в приборах
разведки, охраны и наблюдения, в стрелковом оружии, в системах вождения и
прицеливания боевых машин и танков, в авиации и ВМФ и т.д. Очень часто они
комплектуются с лазерными системами подсветки и дальнометрирования, а также со
сканирующими ИКС. В качестве примеров можно отметить комбинированную
вертолетную систему AN/ASQ-211, разработанную фирмой «LAI Tamain Precision
Instruments Industries» (Израиль), систему MRS-DTL для ВВС, разработанную фирмами
«STN Atlas-Electronik GmbH» и «Carl Zeiss» (ФРГ) и устанавливаемую на
гиростабилизированную платформу [160].
14.2.1. СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ, РАЗВЕДКИ И ОХРАНЫ
НАЗЕМНОГО БАЗИРОВАНИЯ
Судя по публикациям [13, 53, 73, 116, 151, 160], сегодня эти системы составляют
одну из самых многочисленных групп ИКС военного назначения. Их можно разделить
на ручные, переносимые (переносные), обычно устанавливаемые на треноги или другие
основания, и стационарно закрепляемые на транспортных средствах или инженерных
сооружениях [15].
13 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
Таблица 14.3
Примеры ИКС «смотрящего» типа, стоящих на вооружении армий США и НАТО
Л<? п/п Внешний вид прибора Тип Назначение Краткие технические характеристики Особенности конструкции прибора
1 AN/PVS-14 Универсальный монокуляр ночного видения, предназначен- ный для индивидуального наблю- дения, прицеливания, установки на шлеме (наземное применение) Угловое поле 40° 13° при афокальной 3х насадке Увеличение 1* Диапазон рабочих температур -51.. .+49°С Рабочий диапазон 40... 100 м (1х) Разрешающая способность 64 лин/мм Масса 400 г ЭОП III Сохраняет рабочее состояние 400 ч Отношение сигнал-шум 19,5 Чувствительное гь фоюкаюда 1550 мкА/лм В комплект входит компас
2 Монокуляр ночного видения уменьшенных габаритов. Можно использовать как очки ночного видения, прицел и ручной прибор (наземное применение) Угловое поле 40° Увеличение Is (сменный объектив 3х) Пределы фокусировки 0,25 м ...» ЭОП II*, III Возможно закрепление на шлеме двух монокуляров сразу для использования
1 jl MINI N/SEAS Регулировка наведения на резкость -6...+2 дптр Габариш 115x65x49 мм Масса 540 г с батареями и маской Время непрерывной работы 30 ч их как очков Питание: один элемеш типа АА
3 — AN / TVS-5 Очки ночного видения широкого назначения для работы в усло- виях слабых освещенностей (наземного применения) Угловое поле 40° Дальность обнаружения человека - 250 м Минимальное расстояние наблюдения 0,25 м Увеличение Г Фокусное расстояние объектива 26,8 мм Регулировка наведения на резкость -6... +12 дптр Регулировка базы глаз 51 ...72 мм Время непрерывной работы 40 ч при 32°С Температ урный рабочий диапазон -51.. .-49°С ЭОП II, II* Питание: два элемента типа А А Водостойкая масса с батареей 960 г
14.2. ИКС военного назначения 357
Продолжение табл. 14.3
№п/п Внешний вид прибора Тип Назначение Краткие технические характеристики Особенности конструкции прибора
4 AN/PVS-7D Очки ночного видения широкого назначения для работы в усло- виях слабых освещенностей (на- земного применения) Угловое поле 40° Увеличение Iх Дальность обнаружения: при луне 500 м, при звездном небе 380 м Минимальное расстояние наблюдения 0,25 м Фокусное расстояние объектива 26 мм Регулировка наведения на резкость -6...+2 дптр Регулировка базы глаз 55...71 мм Т емпературный диапазон -51...+45 °C Масса (с батареями) 680 г ЭОП П+, III с фотокатодом диаметром 18мм Питание: два элемента типа АА Влагостойкий
5 AN/AVS-6 Авиационные очки ночного виде- ния уменьшенных габаритов и массы, адаптированные к осве- щению приборной панели Угловое поле 40° Спектральный диапазон до 0,9 мкм Увеличение Iх Регулировка наведения на резкость -6.,.+2 дптр Регулировка базы глаз 51...72 мм Фокусное расстояние объектива и окуляра 27 мм Пределы фокусировки 41 см...сю Диапазон рабочих температур 32.. .+52°C Масса нс более 590 г Время непрерывной работы 30 ч ЭОП III Питание два элемента типа А А: Возможно применение ряда новых и современных ЭОП Адаптированы к освещению приборной панели
6 AN/AVS-9 То же Угловое поле 40° Спектральный диапазон до 0,9 мкм Увеличение Iх Регулировка наведения на резкость 6...+2 дптр Регулировка базы глаз 52...72 мм Фокусное расстояние объектива и окуляра 27 мм Время непрерывной работы 24 ч Пределы фокусировки 41 см...сю Диапазон рабочих температур -32.. .+52°С Масса не более 550 г ЭОП II Питание: два элемента типа АА: Возможно применение ряда новых и современных ЭОП Адаптированы к освещению приборной панели ;
358 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Продолжение табл. 14.3
Ns п/п Внешний вид прибора Тип Назначение Краткие технические характеристики Особенности конструкции прибора
1 к PNVG Панорамные очкн ночного виде- ния расширенного поля зрения для ночного пилотирования Угловое поле 100x40° Увеличение Iх Диапазон рабочих температур -51.. ,+49°С Масса 750 г Время непрерывной работы 20 ч ЭОП III - 4 шт. с фотокатодом диаметром 16 мм фирмы ITT Питание: два элемента типа АА
8 AN VCS Авиационные очки ночного виде- ния с ПЗС-адаптером для получе- ния TV-изображения от одной трубки в реальном масштабе времени Угловое поле 18x24° Поле обзора ПЗС-камеры 18x24° н 26x34° Остальные характеристики системы схожи с AN/AVS-9 ЭОП П\ III Питание 28 В постоянного тока Масса адаптера 80 г Интерфейс RS-170
9 LP/NVG Авиационные очки ночного виде- ния с оптическим смешением обычного и ночного изображения Угловое поле: для ночного канала 40° для обычного канала 165x90° Пределы фокусирования 30 см ...ее Увеличение Iх Время непрерывной работы 20 ч ЭОП II, III с фотокатодом фотокатода 18 мм Два двухрежимных ИК-прожектора Питание: два элемента типа 1/2 А А
14.2. ИКС военного назначения 359
Продолжение табл. 14.3
№ п/п Внешний вид прибора Тип Назначение Краткие технические характеристики Особенности конструкции прибора
10 $ all як fjjji |,|в В i AN/VAS-5 Прибор вождения транспортных средств круглые сутки в сложных метеоусловиях Спектральный диапазон 8... 12 мкм Монитор с 640x480 ЖК-экраном Диапазон рабочих температур -37.. .+49°С Минимальный срок наработки 700 ч Рабочее угловое поле 4ОхЗО°(В) Дальность распознавания: человека 110 м, тапка 1200 м Неохлаждаемое ФПУ формата 320x240 Есть модификация с ЭОП Вибростойкин, влагозащищенный Интерфейс RS-232/ RS-422
11 AN/VVS-2(V) Ночной прибор вождения боевых транспортных средств модифи- каций М151, М109. М113, М60. М48А5, БМП-1 и др. Угловое поле 800x600 мрад Увеличение Iх Возможность поворота по азимуту: ±45° Пределы фокусировки: 5 М ...со Масса 7 кг ЭОП 1Г, 111 Бортовое питание
360 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Продолжение табл. 14.3
4 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
№ п/п Внешний вид прибора Тип Назначение Краткие технические характеристики Особен посты конструкции прибора
12 w AN / PAS-13 HTWS Прицел для стрелкового оружия широкого применения, включая Ml6, М249, M240G, М60, М2. MKI9 и М82.2А2. Позволяет вес- ти стрельбу круглые сутки при любых погодных условиях Спектральный диапазон 3...5 мкм Дальность распознавания: человека HTWS 2,8 км; MTWS 1,5 км (при узком поле); транспортных средств (при широком поле) HTWS 2,8 км; MTWS 1,2 км; (при узком поле) HTWS 6.9 км; MTWS 4,2 км Масса (с батареями): HTWS 2,5 кг; MTWS 2,3 кг Длительность работы 3,5 ч Диапазон рабочих температур: -37.. ,+49°С Охлаждаемая термоэлектрическая HgCdTe сканирующая матрица форматом 40x16 Изменяющееся угловое поле (узкое и широкое) Электронное изменение масштаба изображения Программируемая сетка для различных видов оружия Интерфейс RS 170 Водостойкие
13 AN / PAS-13 MTWS Прицел для стрелкового оружия широкого применения, включая Ml6, М249. M240G, М60. М2, МК19 и М82.2А2. Позволяет вести стрельбу круглые сутки при любых погодных условиях Спектральный диапазон 3...5 мкм Дальность распознавания: человека HTWS 2,8 км; MTWS 1,5 км (при узком поле); транспортных средств (при широком поле) HTWS 2,8 км; MTWS 1,2 км; (при узком поле) HTWS 6,9 км MTWS 4.2 км; Масса (с батареями): HTWS 2,5 кг; MTWS 2,3 кг Длительность работы 3.5 ч Диапазон рабочих температур: —37...+49°С Охлаждаемая термоэлектрическая HgCdTe сканирующая матрица форматом 40х 16 Изменяющееся угловое поле (узкое и широкое) Электронное изменение масштаба изображения Программируемая сетка для различных видов оружия Интерфейс RS170 Водостойкие
14 AN/PAS-19 Прицел для индивидуального стрелкового оружия широкого применения. Позволяет вести стрельбу круглые сутки и при любых погодных условиях Спектральный диапазон 3...5 мкм Электронное изменение увеличения 2х, 4х Оптическое увеличение 1,7х Угловое поле 15.3x7,6° Время непрерывной работы 10 ч Масса с батареями <1,8 кг Габариты 355x114x114 мм Термостабилизированная матрица форматов 320x160 или 640x200 пикселов Термоэлектрическое охлаждение Питание 6...24 В Интерфейс R.S170
14.2. ИКС военного назначения
О'
Продолжение табл. 14.3
№ п/п Внешний вид прибора Тип Назначение Краткие технические характеристики Особенности конструкции прибора
15 AN/PVS-14 Прицел ночного видения широко- го назначения, использующийся на вооружении М14, М16, М60, М72А1 иМ203 Угловое поле 14,5° Увеличение 3,7х Фокусное расстояние объектива 95 мм Прицельная дальность: при лунном свете 600 м, при звездах 400 м Время непрерывной работы 60 ч при 20°С Габариты 240х 120х 120 Масса 1,72 кг ЭОП 1Гс фотокатодом диаметром 25 мм Питание: два элемента типа АА
/
.< F
16 AN/PVS-12A Прицел ночного видения широко- го назначения для работы в усло- виях слабых освещенностей. Мо- жет погружаться под воду до 20 м Угловое поле 8,3е Увеличение 4х Фокусное расстояние объектива 120 мм Пределы фокусировки 25 м...°° Регулировка наведения на резкость -5.,,+2 дптр Габариты 235x87x83 мм Масса 1,2 кг Время непрерывной работы 40 ч при 20°С ЭОП II с фотокатодом диаметром 18 мм Питание: два элемента типа АА Подсветка перекрестия красная
17 AN / TVS-5 Прицел ночного видения даль него боя для автоматического оружия широкого назначения, включая такие, как МК16 Данные для модели 790: угловое поле 9° увеличение 6,2х Дальность обнаружения ростовой фигуры человека на зеленой траве: при четверти луны (1СГ2 лк) 1930 м; при звездном небе (10'3лк) 1370 м; при облачности (Ю-^ лк) 700 м Г абариты 310x160х 170 мм Масса 3 кг ЭОП III Питание: два элемента типа АА Зеркально-линзовый объектив
1 Г . 1
362_________Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Окончание табл. 14.3
№ п/п Внешний вид прибора Тип Назначение Краткие технические характеристики Особенности конструкции прибора
18 AN/PVS-17 Малогабаритный прицел ночного видения. Может погружаться в воду до 20 м (наземное примене- ние) Угловое поле 20x17° Фокусное расстояние 54 мм Увеличение 2,25 х Регулировка наведения на резкость -5.. +2 дптр Диапазон рабочих температур -4О...+52°С Срок службы на глубине 20 м 2 ч Масса 1 кг ЭОП 11 или III Питание: один элемент типа АА Время непрерывной работы 23 ч при 23°С Красная подсветка прицельной сетки (5 уровней) Водостойкие
14.2. ИКС военного назначения 363
364 Глава 14, Современное состояние и перспективы развития ИКС
К простейшим ИКС первого типа относятся давно известные инфракрасные моноку-
ляры и ручные бинокли. Бинокли на базе ЭОП - первые образцы таких приборов - мно-
гие отечественные предприятия (ЛОМО, НПЗ, ЗОМЗ, Красногорский завод им. С.А. Зве-
рева и др.) выпускают и в настоящее время. Так, ГУП «Альфа» производит бинокль
ночного видения «Альфа-3122» (табл. 14.4) псевдобинокулярной конструкции со встро-
енным ИК-прожектором. Бинокль снабжен дополнительным съемным ИК-прожектором
«Альфа-8011» с мощностью излучения 5 или 20 мВт на длине волны 0,8 мкм.
Таблица 14.4
Параметры бинокля ночного видения «Альфа-3122»
Увеличение объектива, крат 3 4 5
Угловое поле, град 12 10 7,5
Диоптрийная установка, дптр ±4 ±4 ±4
Дальность видения человека при свете звезд, м 400 500 650
Диапазон рабочих температур, °C ±50 ±50 ±50
Непрерывное время работы, ч 24 24 24
Масса, кг 0,95 1,37 1,2
Ночной псевдобинокуляр «Байгыш 25», выпускаемый Казанским оптико-
механическим заводом (КОМЗ), имеет увеличение 4,5 крат, угловое поле 8°, диоптрий-
ную установку ±4 дптр. Его масса - 1,1 кг, а габариты - 300х 130x90 мм. В приборе ис-
пользуется ЭОП II*, два элемента питания типа А-316 обеспечивают его непрерывную
работу в течение 15 ч. Псевдобинокуляр позволяет обнаружить человека в безлунную
звездную ночь на расстоянии до 450 м. При тех же условиях малогабаритный
(165х 125x50 мм) ночной бинокль «Байгыш 9М2» на базе ЭОП I, имеющий увеличение
2,2 крат и угловое поле 10°, обеспечивает дальность обнаружения человека до 170 м.
В последние годы появились бинокли на базе МПИ, работающие в средне- и длин-
новолновом ИК-диапазонах спектра. Например, уже упоминавшиеся разработки мик-
роболометрических модулей фирмы «Lockheed-Martin IRIS» были успешно применены
в ручных ИК-биноклях. В табл. 14.5 приведены технические характеристики ручного
бинокулярного (псевдобинокулярного) бинокля SAGEM LUTIS, построенного на базе
модуля SIM 150 [88].
В [160] указывается, что последние модификации ИКС SAGEM LUTIS имеют массу
около 1,1 кг и снабжены дисплеем формата 640x480.
Конструкции ИК-биноклей на базе МПИ непрерывно совершенствуют, в частности
состыковывают с лазерными целеуказателями и дальномерами. В электронный тракт
биноклей вводятся блоки автоматической обработки изображений, включая оптимиза-
цию яркости и контраста (бинокль круглосуточного действия LION фирмы «Delft Sen-
sor Systems» (Нидерланды), построенный на базе диэлектрического микроболометра
формата 256x128 с А7П = 150 мК и имеющий угловое поле 10x5° при габаритах
14.2. ИКС военного назначения
365
100x200x240 мм, массе менее 2 кг и энергопотреблении 7 Вт). Время выхода на рабо-
чий режим у современных биноклей с микроболометрическими матрицами составляет
порядка 10 с, а время непрерывной работы - около 10 ч.
Таблица 14.5
Технические характеристики бинокля SAGEMLUTIS
Спектральный рабочий диапазон, мкм 8...12
Время выхода на рабочий режим работы, с <30
Формат, пиксел 320x240
Угловое поле, град 8,5x8,5
ЭШРТ (ДТП), мК <100
Видеовыход CCIR или RS 170
Напряжение питания, В 7...32 (пост, ток)
Потребляемая мощность, Вт 4...6
Масса, кг 1,8
Дальность обнаружения (человек/танк), км 1,0/2,5
Дальность распознавания (человек/танк), км 0,6/1,0
Примечание. Дальности определялись по стандартам НАТО.
Ручные ИКС обычно используются в пехотных подразделениях, в подразделениях
специального назначения, в пограничных войсках и т.п. для наблюдения и разведки на
небольших дальностях (обычно до 1 ...5 км). Для этих систем наряду с хорошим разре-
шением очень важны размеры, масса, энергопотребление, длительность автономной
работы (срок службы источников питания), ряд эргономических показателей. Напри-
мер, ограничения размеров и массы ведут к снижению диаметра входного зрачка объ-
ектива, а это, в свою очередь, ограничивает дальность работы ИКС и ее энергетическое
разрешение.
Такие наблюдательные ИКС массой не более 3,5 кг обычно основаны на неохлаж-
даемых МПИ: приборы VIPER фирмы «NVT» (на рис. 14.1 на вклейке); LION, LTC500
и STAIRS фирмы «ВАЕ Systems»; DI-9800 компании «Digital Imaging Infrared»;
ТН7102МХ и TH7102WX компании «NEC San-ei Instruments»; серии Thermo Vision,
MIRV Miniature и FTI компании «FLIR Systems»; монокуляр HH750 Thermal Camera
фирмы «DIOP» (рис. 14.2 на вклейке) и др. Практически все они собираются из унифи-
цированных модулей и могут быть использованы и для других целей (разведка, охрана,
вождение транспорта и мн. др.). В этих приборах ДТП = 50... 150 мК; угловые поля из-
меняются от 2,5 до 10... 12°.
Типичным примером малогабаритной носимой наблюдателем ИКС служит UM-
FLIR (Uncooled Manportable Forward Looking Infrared) компании «Boeing» (см. №21 в
табл. 14.1, 14.2). Неохлаждаемое ФПУ на резистивном микроболометре в совокупности с
другими, достаточно унифицированными блоками позволяет эффективно использовать ка-
меру UMFLIR в качестве прибора наблюдения в сухопутных войсках, включая автоброне-
366 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
танковую технику, а также в авиации на борту самолетов. Габариты камеры составляют
114x153x300 мм, масса — менее 3 кг. Объектив cf' = 75 мм обеспечивает угловое поле
12,4x9,5°. Прибор работает в диапазоне температур окружающей среды от -30 до +53°С.
Некоторые из подобных ИКС легко состыковываются с лазерными целеуказателя-
ми, системами подсветки и дальномерами. Например, камера LION на базе неохлаж-
даемого микроболометра 256x128 с микросканированием масштаба 2:1 может разме-
щаться на одном основании (треноге) с лазерным целеуказателем, устанавливаемом на
автомобиле или на другом транспортном средстве. Эта камера способна обнаруживать
человека на дальности до 1500 м, а распознавать его на дальности до 1000 м.
Фирмой «Cincinatti Electronics Corp.» разработана малогабаритная, потребляющая
малую мощность, облегченная наблюдательная ИКС Night Conqueror 256 для ручного
использования (см. №51 в табл. 14.1, 14.2). Фотоприемное устройство на базе InSb
формата 256x256 или 320x240 объединено с микрохолодильником. В приборе преду-
смотрена автоматическая установка уровня сигнала, контроль усиления, быстрая внут-
ренняя двухточечная коррекция неоднородности, мобильный курсор, система дистан-
ционного управления и изменение углового поля. Объектив с диафрагменным числом
К = 4 и фокусным расстоянием 500 мм обеспечивает высокое качество изображения с
достаточным увеличением. Прибор с встроенным ЖКД имеет также выход на внешний
стандартный видеомонитор и другие выходы для связи с внешним интерфейсом. Для
калибровки в полевых условиях и коррекции неоднородностей встраивается термоэлек-
трический эталон, температура которого контролируется. Дальности действия системы
Night Conqueror 256 по объектам типа «танк» и «человек» приведены в табл. 14.6. Ве-
роятности указанных в таблице операций принимались равными 50% при следующих
различимых градациях на объекте (числа Джонсона): при обнаружении - 0,75 перио-
дов, при распознавании - 3 периода, при идентификации - 6 периодов (см. §4.3).
Таблица 14.6
Дальности действия (км) ИКС Night Conqueror 256 по танку с видимым размером
2,3x6,4 м (АТ = 1,25°С) и человеку с видимым размером 0,75*0,75 м (АТ = 0,2°С)
Объект Угловое поле, град 8,8x8,2 1,8x1,7 0,88x0,82
Показатель ослабления излучения в атмосфере, км-1 0,2 1,0 0,2 1,0 0,2 1,0
Танк Обнаружение 5,7 3,5 17,7 4,5 21,5 4,6
Распознавание 1,5 1,4 6,9 3,8 11,9 4,3
Идентификация 0,77 0,73 3,6 2,8 6,9 3,8
Человек Обнаружение 1,2 1,1 5,7 3,77 10,5 4,7
Распознавание 0,3 о,з 1,5 1,41 3,0 2,5
Идентификация 0,15 0,15 0,75 0,74 1,5 1,4
В [160] появилось сообщение о разработке ИКС NightConqueror 640, в котором при-
менен InSb-МПИ формата 640х512 с АТП = 20 мК.
14.2. ИКС военного назначения
367
В ручных и переносимых ИКС для наблюдения и разведки используются и охлаж-
даемые ФПУ на KPT-матрицах форматов 256х256 и 320x240, работающие в диапазоне
3,8...4,8 и 3,2...4,7 мкм с А7П = 20...30 мК (портативные FLIR фирмы Boeing); на мат-
рицах из InSb форматов 320x240 и 256x256 с микросканированием, работающих в
спектральном диапазоне 3...5 мкм и в двух угловых полях - узком 1,9х 1,4° и широком
9,5х7,2° и имеющих А7П < 25 мК (MAG 2400 и Radiance компании «Raytheon»); на
ФКЯ-матрицах формата 320x240 с А7’п= 25 мК, работающих в спектральном диапазоне
8...9 мкм, или на матрицах из InSb формата 320х240 с ДТП= 25 мК при диафрагменном
числе объектива К = 4 (MilCAM и MilCAM Recon-QWIP компании «FLIR Systems») и
др. Температуры охлаждения ФПУ в этих системах обычно обеспечиваются микрохо-
лодильниками, работающими по циклу Стирлинга с временем выхода на режим (от 300
до 77...95 К) 7... 10 мин.
С начала 90-х годов исследуется возможность использовать ИКС для решения акту-
альнейшей задачи - обнаружения и распознавания мин. Такие системы предполагается
обязательно включить в программу Армии США «Боец-пехотинец XXI века» (21st
Century Land Warrior). Первые исследования, во время которых использовались ком-
мерческие варианты датчиков FLIR для спектральных диапазонов 3...5 мкм (модель
Inrfacam) и 8... 12 мкм (модель Inframetric 445L с угловым полем 28х21°) и системы
распознавания на базе нейронных сетей, дали обнадеживающие результаты. При ис-
пользовании Inframetric 445L в режиме реального времени вероятность обнаружения
мин составляла от 0,7 до 1,0.
В [279] приводятся результаты полевых испытаний двухдиапазонной ИКС при об-
наружении противотанковых мин. Установка таких мин сопровождается взрыхлением
укрывающей их почвы, благодаря чему появляется различие в излучении, создаваемом
участками установки мин и окружающей их однотипной, но нетронутой почвой. Слой
почвы, укрывающий мины, довольно тонкий, а связь его с окружающей почвой нару-
шена. При солнечном освещении этот слой быстрее прогревается и приобретает боль-
шую температуру, нежели смежные с ним зоны нетронутой почвы. При исчезновении
Солнца он быстрее охлаждается и излучает меньшие потоки, чем его окружение. Эти
факторы достаточно отчетливо наблюдаются в двух относительно узких спектральных
диапазонах - между 8,5 и 9,5 мкм и между 10 и 11 мкм.
Малогабаритная система на основе описанного в §7.6 двухдиапазонного ФКЯ-МПИ
формата 256x256 компании «ВАЕ Systems», имевшая замкнутую систему охлаждения
(до 60 К), объектив/' = 50 мм и угловое поле 11,7° и располагавшаяся на высоте около
6 м над землей, обеспечила достаточно уверенное обнаружение противотанковых мин и
минных полей, установленных как недавно (за сутки до их обнаружения), так и не-
сколькими днями раньше (до недели).
Нашлемный прибор Helmetcam для поиска мин, созданный фирмой «FLIR Systems
Inc.» (США) и на основе микроболометрической матрицы формата 320х240, работает в
спектральном диапазоне 7... 14 мкм. Угловое поле системы — 30х22,5°, геометрическое
разрешение 1,64 мрад, масса 2 кг, энергопотребление менее 10 Вт, ресурс работы свы-
ше 13 тыс. ч, Arn = 50... 100 мК.
368 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
14.2.2. ИНФРАКРАСНЫЕ ВИЗИРНЫЕ И ПРИЦЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
ДЛЯ ЛЕГКОГО И СРЕДНЕГО ВООРУЖЕНИЯ
Инфракрасные визиры и прицелы для легкого и среднего вооружения (винтовки,
пулеметы, подствольные гранатометы, переносные ракетные комплексы), разрабаты-
ваемые многими фирмами (см. табл. 14.1—14.3) часто представляют собой сочетания
целеуказателя (обычно лазерного) и монокулярного прицела ночного видения. Так, за-
крепляемый на голове ночной прицельный комплекс «Альфа НПК-2» (разработка ГУП
«Альфа»), состоящий из лазерного целеуказателя «Альфа-7115» и монокуляра «Альфа-
9022» (табл. 14.7), работает в диапазоне температур ±50°С и может комплектоваться
афокальной насадкой с увеличением 2,5х и адаптером, позволяющим вести ночную ви-
део- и фотосъемку. Помимо прицеливания, комплекс «Альфа НПК-2» можно использо-
вать для поиска целей, наблюдения и ориентации на местности, проведения инженер-
ных и ремонтных работ в ночное время.
Таблица 14.7
Основные технические характеристики ночного прицельного комплекса
«Альфа НПК-2»
Целеуказателъ лазерный «Альфа-7115»
Мощность излучения в непрерывном режиме, мВт Средняя мощность излучения в импульсно-частотном режиме работы, мВт Угловая расходимость излучения на выходе, мрад Диаметр пятна подсвета на удалении 200 м, см Напряжение автономного источника питания (два элемента типа АА), В Время работы без замены источника питания при 20°С, ч Габариты, мм Масса (без источника питания), кг >2 <10 2,4...3,0 >24 120x110x42 0,35
Монокуляр «Альфа-9022»
Увеличение, крат Угловое поле, градус Пределы диоптрийной установки, дптр Пределы фокусировки, м Масса, кг 1 40 ±4 0,25... 0,35
Фирма «Noga Light LTD» (Израиль) создала малогабаритную телевизионную систе-
му C8HTV на базе ГМП, состоящего из ЭОП II* с интегральной чувствительностью
500 мкА/лм и разрешением 36 лин./мм и ПЗС формата 756x581 или 768х473 пикселов
размерами 11хЦ или 11x13 мкм соответственно. Динамический диапазон системы -
67 дБ, разрешающая способность - 450 ТВЛ, габаритные размеры - 183х30х32 мм,
масса - 0,59 кг [160].
14.2. ИКС военного назначения
369
На мировом рынке оружия в настоящее время находится большое число ИК-визиров
(монокуляров и бинокуляров), работающих на базе ЭОП II и ЭОП III: Pantrom (Швей-
цария), Munos WS-1/4/10 (Бельгия), Nite-Watch plus (Великобритания и США), Simrad
KN 250 (Норвегия), Mantis 125/130, FORMS, AN/PVS-14, AN/PVS-10, AN/TVS-12/12A,
AN/PVS-17, Ranger M992/993/994/995 (США), ORT-Msh., NL-61, NL-300, NL-303 (Из-
раиль), ПН-9, ПР-6 (Беларусь), 1LH51/52/53, 1LH54, 1LH58, 1LH84, TLB-2, NHB, H3T-
2МБН, Байгыш-50, Байгыш-10 (Россия). Многие из них при звездном небе обеспечива-
ют дальность обнаружения человека до 600...800 м, а танка - до 2000 м. Масса этих
приборов около 1...2 кг, хотя у отдельных миниатюрных систем, например NL-61, она
гораздо меньше - до 0,3...0,5 кг. Некоторые из этих приборов комплектуют дополни-
тельными системами ИК-подсветки (обычно на базе полупроводниковых лазеров и све-
тодиодов), что заметно увеличивает их дальность действия и расширяет возможности,
например, позволяет читать карты местности или проводить мелкие ремонтные работы
в полной темноте. Угловое поле прицелов для стрелкового оружия обычно составляет
5... 10°, а увеличение изменяется от 3,5 до 6 крат.
Одна из тенденций развития этого вида ИКС - переход от прицелов на базе ЭОП к
прицелам на базе матричных МПИ, прежде всего микроболометрических матриц. Об-
легченную конструкцию имеет прицел LUTE компании «ВАЕ Systems» (рис. 14.3 на
вклейке), в котором применен диэлектрический микроболометр формата 128*256 пик-
селов размером 51 мкм. Благодаря микросканированию эффективный формат увеличен
до 256*512, А7„ не превышает 100 мК. Габариты прибора 310*100*100 мм, масса 1,5 кг.
Угловое поле с объективом f = 50 мм составляет 16°. Прицел позволяет обнаружить
человека на расстоянии 800 м. Батареи питания создают напряжение 4...9 В и способны
работать в течение 5 ч и более при окружающей температуре +20°С.
Тепловизионные прицелы компании «Nytech», основанные на разработанном компа-
нией «DRS» неохлаждаемом кремниевом микроболометре U4000 формата 320*240 пик-
селов размером 51 мкм, имеют угловое поле 15° при фокусном расстоянии объектива
62 мм и диафрагменном числе К = 1. Компания «DRS» сообщила о создании микробо-
лометра U6000 формата 640*480 с тем же, что и у U4000, размером пиксела и о разра-
ботке матрицы U7000 формата 320*240 пикселов размером 25,4 мкм, что позволит
уменьшить размеры объектива и, очевидно, улучшить параметры прицельных ИКС на
основе такой матрицы.
Многие из прицельных ИКС могут выполнять и другие функции. Так, ИКС LUTIS
фирмы «SAGEM» (Франция), построенная на базе микроболометрической матрицы
формата 320*240, может служить также для обнаружения замаскированных объектов.
Она выполняется в двух модификациях: с телевизионным (ТВ) монитором и окуляром
и только с ТВ-монитором для вождения транспортных средств. По сообщению разра-
ботчиков, эта ИКС имеет дальность распознавания человека до 1000 м, а автомашины -
до 1200 м.
В свое время компания «Hughes» (США) разработала серию прицелов TWS: для
пуска зенитных управляемых ракет Stinger (базовая конструкция), для автоматических
винтовок Ml 6 и М4 (LTWS), для пулеметов М60, М203, М249 и др. (MTWS) и для пу-
370
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
лемета М2, гранатомета М24 и других видов вооружения (HTWS). Прицелы строились
на базе МПИ из КРТ, работающих в спектральном диапазоне 3...5 мкм с термоэлектри-
ческой системой охлаждения до 175 К и имеющих формат 40x16, что достаточно, как
утверждают проспекты фирмы, для распознавания человека на дальностях 550 м
(TWS), 1100 м (MTWS) и 2200 м (HTWS). Массы приборов TWS, MTWS и HTWS со-
ставляют 1,19; 2,0 и 2,44 кг соответственно. Эти прицелы имеют как цифровой, так и
аналоговый видеовыход RS 170.
Прицел IRWS фирмы «SFIM» (Франция), построенный на базе неохлаждаемого мик-
роболометра формата 320x240 и работающий в диапазоне 7... 14 мкм, способен обнару-
жить человека на дальности 1500 м, а автомобиль - на дальности 2500 м. Он работает в
диапазоне температур -2О...+5О°С при пределах диоптрийной установки -4...+2 дптр и
угловом поле 5,6x4,2°, причем возможна регулировка линии визирования в угле
±20 мрад. Масса прицела составляет 2,8 кг.
Инфракрасные микроболометрические визиры серии NWS (фирма «Lockheed Martin
IRIS» и ее партнеры) на унифицированной модульной основе (модули SIM 100, SIM
150, SIM 200) имеют одинаковые приемники излучения и дисплеи. В зависимости от
модификации для легкого, среднего и тяжелого стрелкового вооружения они обеспечи-
вают дальность распознавания движущегося человека и работающих транспортных и
бронетанковых машин в ясную погоду от 550 (для легкого оружия) до 2200 м (для тя-
желого), ширину просматриваемого пространства порядка 116...348 м на дальностях от
550 до 2200 м. Блок питания обеспечивает непрерывную работу в течение 7 ч без сме-
ны элементов питания (батарей). Масса визиров (без батарей) составляет 1,19 кг для
легкого и среднего оружия и 2,44 кг для тяжелого.
Предполагается, что в следующем поколении инфракрасных визиров этой фирмы
будут использоваться семь типовых модулей-блоков: объектив с изменяющимся уг-
ловым полем и системой переменной фокусировки; фотоприемный блок, включаю-
щий в себя микроболометрическую матрицу, калибровочную систему и электронный
блок первичной обработки сигналов; блок цифровой обработки сигналов, включаю-
щий контрольную систему всего модуля; видоискатель; блок питания; механический
блок крепления, уставок и юстировок. Оптическая система этих визиров должна иметь
угловое поле 5,6° (по горизонтали) х4}2° (по вертикали), пределы фокусировки на
дальность от 20 м до бесконечности, оптическую силу окуляра от -4 до +2 дптр и уда-
ление входного зрачка 30 мм. Визиры должны обеспечивать дальность действия до
1500 м при обнаружении человека и до 2500 м при обнаружении транспортных и бро-
невых машин. Для электропитания визиров предназначаются литиевые батареи. Масса
приборов не должна превышать 2,8 кг. Они будут работать при температурах от -20 до
+50°С, а храниться - от -30 до +55°С. Предполагаются следующие контрольно-
установочные операции: ручная или автоматическая установка коэффициентов усиле-
ния и напряжений смещения; изменение контраста изображения, яркости и частоты
кадра; электронное управление увеличением (масштабом изображения); калибровка
МПИ; контроль окулярной сетки и линии визирования.
14.2. ИКС военного назначения
371
14.2.3. ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ АРТИЛЛЕРИИ И
БРОНЕТАНКОВЫХ СРЕДСТВ
Появление ЭОП П+ и ЭОП III и усовершенствованных лазерных ИК-прожекторов
позволило существенно модернизировать приборы контроля огня и ночные прицелы
артиллерии, танков и боевых машин пехоты и тем самым заметно повысить их возмож-
ности при ведении боевых действий в ночных условиях. Так, дальность опознавания
целей у прицелов ТПМ-1М, ТПН-ЗМ, 1К13М и БПК-2М, выпускаемых ГУП «Альфа»,
при естественной ночной освещенности 10 3 лк составляет 1000... 1200 м, а при исполь-
зовании лазерного ИК-прожектора ПЛ-1 с расходимостью 0,75° (по вертикали) и 1,5° (по
горизонтали) и мощностью излучения 0,15 Вт она достигает 1200; 1200; 1400 и 1200 м
соответственно, т.е. возрастает незначительно. Однако увеличение и угловое поле мо-
дернизированных прицелов стали существенно большими: 8х вместо 5х и 7° вместо 6°
для ТПН-1М, 10х вместо 5,5х и 7° вместо 6° для ТПН-ЗМ, 10х вместо 5,5х и 6° вместо 5°
для 1К13М, и 10х вместо 5,5х и Т вместо 5°40' для БПК-2М.
К настоящему времени создано достаточно много систем на базе ЭОП и телевизи-
онных передающих трубок, работающих в ближнем ИК-диапазоне. Система GS6TV
(фирма «Delft Sensor System», Нидерланды), предназначенная для разведки и прицели-
вания артиллерийских орудий и боевых машин, выполнена на основе ПЗС-матрицы фор-
мата 576*604, состыкованной с ЭОП II. Она имеет габаритные размеры 0180*440 мм,
массу 3,5 кг; напряжение 24 В подается от источника постоянного тока. Угловое поле
системы 5,9*4,4° и 3,7*2,8°, а угловая разрешающая способность 1 мрад при уровне ес-
тественной ночной освещенности 2*10-3 лк и контрасте объекта 0,85 [155].
Подобные гибридные модульные преобразователи (ГМП) лежат в основе систем для
наблюдения и прицеливания из танков. Так, фирма «SFIM Industries» (Франция) разра-
ботала прибор, в котором ночной ТВ-канал HL-70 на базе ГМП с угловым полем 20°
при увеличении 2,7х и 5° при увеличении 10х объединен с тепловизионным каналом
HL-80, работающим в диапазоне 8... 14 мкм [155].
Компаниями «Simrad Optronics» (Норвегия) и «Celsius Tech Electronics» (Швеция)
предложен переносимый артиллерийский наблюдательный прибор на базе ФКЯ-
матрицы формата 640*480. Прибор устанавливается на треногу и объединяется в об-
щую конструкцию с лазерным дальномером, встроенным цифровым компасом и систе-
мой определения координат точки стояния GPS.
Для управления огнем артиллерии компанией «ВАЕ Systems» была разработана
ИКС, имеющая узкое (2*4°) и широкое (6*12°) угловое поле. Ее основу составляет
стандартный модуль — неохлаждаемый микроболометр формата 256*128 с системой
микросканирования, вдвое увеличивающей этот формат. Система имеет ДГП менее 120
мК; время готовности к работе после включения системы термостабилизации не более
15 с при температуре окружающей среды 20°С.
Компанией «Zeiss Optronik GmbH» создан типовой ряд ИКС ATTICA (модификации
ATTICA-P236, -6690, -С384 и -С384ц), в которых используются ФПУ на базе PtSi, GaAs
и КРТ форматов 256*256, 640*480 и 384*288 соответственно. Эти системы функцио-
372
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
нируют в спектральных диапазонах 3...5 (PtSi) и 8...9 мкм (GaAs и КРТ). Кадровые
частоты у них равны 25...(30) Гц, а у АТТ1СА-С384ц - 100 Гц. Для охлаждения ФПУ,
работающих в диапазоне 8...9 мкм, используется холодильник с циклом Стирлинга. В
системах применены унифицированные модули: атермализованный объектив, блок
ФПУ с холодильником и электронный блок обработки сигнала.
Как отмечалось в гл. 9, геометрическое разрешение ИКС «смотрящего» типа можно
повысить с помощью микросканирования. Так, описанная в §9.3 система микроскани-
рования фирмы «AEG Infrarot-Module GmbH» (Германия) позволила обеспечить очень
хорошее температурное разрешение (АГП < 20 мК) при температуре охлаждения КРТ
приемника 77 К и диафрагменном числе объектива К = 2, а также удвоить геометриче-
ские разрешение (до 12 мкм) при умеренном формате ФПУ (384x288 пикселов с шагом
24 мкм). При уменьшении диаметра входного зрачка объектива в два раза по сравне-
нию с системой, имеющей К = 1, заметно снижается стоимость, уменьшаются габариты
и масса, увеличивается геометрическое разрешение (а отсюда и дальность действия)
ИКС, предназначенных для военных систем разведки, наблюдения и управления огнем
ночью и при неблагоприятных погодных условиях. Разработчики этой системы предна-
значают ее для установки на бронемашины, в разведывательные комплексы и на стаби-
лизированные наземные и морские платформы.
Типичными примерами возимых ИК-приборов наблюдения и разведки, устанавли-
ваемых на автомашинах и бронетанковой технике, являются система SIN ATLAS (фир-
ма «AIN ATLAS Elektronik GmbH», ФРГ), работающая в диапазоне 8... 12 мкм на КРТ-
матрицах и имеющая в своем составе также визуальный канал на ПЗС формата
752x582; тепловизор AN/VLR-1 Avender FLIR (компания «Raytheon»), работающий в
диапазоне 8... 12 мкм с минимальной разрешаемой разностью температур ДТР « 350 мК
и угловыми полями 5,3x3,27° и 21x13,1° и имеющий массу 26,44 кг (с дисплеем); мач-
товая система Radamec System 1000L (компания «Radamec Defence Systems Ltd»), рабо-
тающая в видимом и ИК-диапазонах (3...5 или 8... 12 мкм) и обеспечивающая обнару-
жение человека на дальности 4 км, а техники среднего размера - 12 км.
Гиростабилизированная двухосная ИКС на неохлаждаемом резистивном VOX-
микроболометре была разработана компанией «Boeing» (США). Платформа, на которой
помещается ИКС, может изменять положение линии визирования по углу возвышения
в диапазоне 270°, а по азимуту - 360°. Разрешение по этим углам не превышает 3 мрад.
Погрешность гиростабилизации составляет менее 150 мкрад. Система, заключенная в
корпус диаметром 254 мм, высотой 362 мм, потребляет около 200 Вт (от сети с напря-
жением 12...28 В постоянного тока), ее масса составляет около 11,3 кг. Она использу-
ется в передвижных ракетных установках, а также в системах вооружения вертолетов.
14.2.4. СИСТЕМЫ ВОЗДУШНОГО БАЗИРОВАНИЯ
Инфракрасные системы входят в состав многих авиационных комплексов, предна-
значенных для пилотирования вертолетов и самолетов, наблюдения и разведки с их
14.2. ИКС военного назначения
373
борта. Обычно они в сочетании с телевизионными системами, лазерными системами
подсветки, целеуказания и дальнометрирования, радиолокационными и другими сис-
темами являются комплексами многоцелевого назначения, в частности используются
или могут использоваться для обнаружения очагов пожара и пожаротушения, разведки
полезных ископаемых, контроля состояния нефте- и газопроводов, экологического мо-
ниторинга, поиска пострадавших во время стихийных бедствий и др.
Для самолета F-16 ВВС США фирмой «Delft Sensor System» (Нидерланды) разрабо-
тана малогабаритная ТВ-система на базе ГМП с ЭОП ПГ и ПЗС-матрицей формата
756x581. При естественной ночной освещенности 10 3 лк и контрасте 0,85 для увеличе-
ния Iх разрешающая способность составляет 3,2 ТВЛ (телевизионных линий) на 1
мрад по вертикали и 2,2 ТВЛ на 1 мрад по горизонтали, для 4х - соответственно 0,8 и
0,65 ТВЛ на 1 мрад, а для 6х -0,54 и 0,43 ТВЛ на 1 мрад [160].
Широко используемые в авиации США системы, функционирующие в диапазонах
3....5 и 8.... 12 мкм, устанавливаются на стабилизированные гироскопические шаровые
устройства, закрепляемые на вертолетах и самолетах [160]. К ним относятся, например,
система Ultra 7000 («FLIR Systems»), имеющая ИК-канал и цветной телевизионный.
ИК-канал основан на InSb-матрице формата 256x256, работающей в спектральном диа-
пазоне 3...5 мкм при ДТП = 30 мК. Время выхода на режим системы охлаждения со-
ставляет 7... 8 мин.
На InSb-матрице формата 320х240 построена ИКС Micro STAR, а на ФКЯ-матрице -
ИКС STAR-Q фирмы «FLIR Systems». Система Brite STAR класса «вертолет - поверх-
ность» той же фирмы содержит тепловизионный канал, лазерный целеуказатель, теле-
визионный канал на ПЗС. Для комплексов, в состав которых входят эти системы, ха-
рактерны азимутальные угловые поля в 360°, а просматриваемые ими углы возвышения
составляют 50° у Micro STAR, +32...-100° для Brite STAR и +20°...-105° для STAR-Q.
Полные азимутальные углы обзора обеспечивают гиростабилизированные платформы,
разворачивающие линию визирования со скоростью 52...60 град/с.
Двухосная вертолетная стабилизированная платформа фирмы DRS (ранее «Boeing»)
с погрешностью стабилизации 150 мкрад служит основанием для ИКС, построенной на
базе УОх-микроболометра формата 320x240 пикселов размером 51 мкм и коэффициен-
том заполнения 0,6. Система работает в спектральном диапазоне 8... 12 мкм и при раз-
вороте платформы просматривает угловые поля по углам возвышения по азимуту 360°,
±200° (или 270°) [160].
Система COMPASS фирмы «Е1ор» (Израиль) с полем обзора 360х(+30...-120°) на-
ряду с ТВ-каналом и ПЗС-матрицей имеет в своем составе ИКС, просматривающую уг-
ловое поле от 30x22,5° до 1,4x1,03°.
Фирма «Westinghouse Electric Corp.» (США) разработала облегченную разведыва-
тельную ИКС переднего обзора круглосуточного действия, устанавливаемую на верто-
летах и легких самолетах и предназначенную для поиска, обнаружения и распознава-
ния наземных, надводных и воздушных целей [119]. Система состоит из трех модулей:
головки датчика, электронного блока и блока контроля. Масса ИК-головки около 20 кг,
габариты - 171,5x152,4x194,3 мм, электронного блока-20,4 кг и 182,9x292,0x528,3 мм
374 Глава 14, Современное состояние и перспективы развития ИКС
соответственно; спектральный рабочий диапазон ИКС, использующей матричный
МПИ на базе PtSi, 3,4.. .5,0 мкм. Напряжение питания постоянного тока 28 В поступает
от бортовой сети, средняя потребляемая мощность 336 Вт.
Поле обзора системы по азимуту составляет ±60°, а по углу возвышения — от 0 до
-60°. Размещение оптической системы на поворотном основании позволяет осуществ-
лять обзор по азимуту в полном угле (360°). Оптическая система (рис. 14.4), состоящая
из объектива, линз Л1.. ,Л 11, зеркал 31.. .34 и фильтра, может работать в режиме широ-
кого углового поля (15x20°) при поиске и обнаружении целей и узкого поля (3x4°) при
распознавании обнаруженных целей. Для перехода от широкого поля к узкому и повы-
шения увеличения в пять раз компоненты Л2...Л6 (см. рис. 14.4) выводятся из хода лу-
чей. В режиме узкого поля диаметр входного зрачка системы 76,2 мм, а фокусное рас-
стояние 183 мм. На пространственной частоте 15 период/мм оптическая передаточная
функция спадает до 60% максимума.
Рис. 14.4. Оптическая схема головки облегченной ИКС переднего обзора
Блок приемника излучения, включающий охлаждаемую диафрагму и оптический
фильтр, размещен внутри сосуда Дьюара, который может поворачиваться по азимуту и
углу возвышения для обеспечения необходимой ориентации изображения относитель-
но корпуса летательного аппарата или линии горизонта. Размеры чувствительного слоя
приемника составляют 11,8х 14,8 мм при числе пикселов 78 080, а одного пиксела -
40х40 мкм, что соответствует мгновенному полю в 0,21 мрад при коэффициенте запол-
нения, равном 0,43. Емкость ячейки схемы считывания равна 1,4-106 электронов и по-
зволяет наблюдать сцены и объекты с температурами до 60°С без переполнения ячей-
14.2. ИКС военного назначения
375
ки. Аналоговые сигналы с выхода схемы считывания ФПУ преобразуются в цифровые
(12 бит) с частотой 6 МГц.
Специальная гироскопическая система стабилизации линии визирования обеспечи-
вает требуемое качество изображения при движении платформы, на которой размеща-
ется ИК-головка (оптическая система, приемник излучения с системой охлаждения, ряд
электронных узлов), в указанных диапазонах азимутальных углов и углов возвышения.
Погрешность стабилизации линии визирования не превышает 100 мкрад при макси-
мальной скорости разворота платформы до 1,5 рад/с и максимальном ускорении
5,0 рад/с2.
Электронный тракт позволяет замещать «плохие» пикселы, т.е. те, чувствительность
которых ниже номинальной на 30% и более. Сигналы с соседей «плохих» пикселов ос-
редняются, и полученное значение приписывается «плохому» пикселу.
В электронном блоке для минимизации 1//-шума применяется двойная коррелиро-
ванная выборка, а также коррекция неоднородности чувствительности и выравнивание
коэффициентов усиления сигналов, снимаемых с отдельных пикселов. Кроме того,
предусмотрена компенсация изменения чувствительности из-за изменений окружаю-
щей температуры.
«Очищенное» электронное изображение (видеосигнал со стандартного выхода RS-
170) подается на монитор после уменьшения динамического диапазона сигнала с 12 до
8 бит (25 уровней), что обеспечивается дисплеем монитора, и линейной или гамма-
коррекции видеосигнала. При низкоконтрастных сценах возможно накопление (сложе-
ние) отдельных кадров.
Эквивалентная шуму разность температур ИКС не превышает 150 мК. Расчетная
дальность распознавания объекта при температурном контрасте в 1°С и метеорологи-
ческой дальности видимости = 5 км на высоте 1 км составила 2,5 км. Летные испы-
тания, проводившиеся летом в средних широтах при SM = 23 км, показали возможность
обнаружения (в режиме широкого поля) и распознавания (в режиме узкого поля): чело-
века на земной поверхности - на расстоянии 0,6 км; автомобиля-тягача - на расстоянии
2,5 км; самолета - на расстоянии 7 км и катера на воде - на расстоянии 4 км.
Фирма «Samoff Corp.» (США) для воздушной разведки в ИК-диапазоне выпускает
прибор IR NAC, выполненный на базе PtSi-МПИ формата 640x480 с АТП = 100 мК и
имеющий аналоговый (RS-232) и цифровой (RS-422) выходы. Система охлаждения
требует времени выхода на рабочий режим (77 К) менее 30 мин. Напряжение питания
~100 В подается от бортовой сети переменного тока.
Системы, предназначенные для воздушной разведки, успешно используются для
контроля нефте- и газопроводов, ИК-картографирования, разведки и исследования
природных ресурсов и экологического мониторинга. Так, ИКС TIR [160], выполненная
на базе микроболометра формата 320х240 с АТП =100 мК и работающая, в спектраль-
ном диапазоне 8... 15,5 мкм, способна успешно выполнять перечисленные задачи, из-
меряя при этом температуру объектов, находящихся в ее поле обзора (360° по горизон-
ту и 17° по вертикали), в диапазоне 0...400 К. Пространственное разрешение ИКС TIR
составляет 0,9 мрад; ее габариты - 220,5x294x539 мм, масса - 18 кг, напряжение пита-
376 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
ния - 28 В постоянного тока или 120/240 В переменного; потребляемая мощность со-
ставляет 35 Вт.
Фирма «Rockwell» (США) разработала для беспилотных летательных аппаратов
(БЛА) систему SPIRL2T с тепловизионным каналом на МПИ формата 256*256, рабо-
тающим в диапазоне 3,8...4,8 мкм. Этот канал имеет переменное угловое поле -
2,4*2,4° или 15*15°. Формат телевизионного канала на ПЗС-матрице 1134*486 с
угловым полем 6*6,5°. Система обеспечивает слежение за целью с погрешностью
менее 5 мкрад. Ее масса — не более 22,5 кг, а энергопотребление — менее 170 Вт [160].
Для беспилотных малогабаритных летательных аппаратов компанией «Zeiss Ор-
tronik GmbH» создан ряд ИКС. В системе ATTICA Р256 используется работающее в
диапазоне 3...5 мкм ФПУ на базе PtSi формата 256*256. Система массой около 1,6 кг и
габаритами 100*100*220 мм может иметь как аналоговый, так и цифровой выход. Уг-
ловое поле системы - 14*14°. Другая система того же ряда (ATTICA С384) построена
на базе работающего в диапазоне 3...5 мкм KPT-МПИ формата 288*384. Модульная
конструкция камеры позволяет использовать и другие МПИ: InSb формата 256*384 для
того же диапазона и КРТ формата 240*320 для диапазона 8...11 мкм. Зеркальная сис-
тема микросканирования с пьезоэлектрическим приводом удваивает эффективный
формат, т.е. доводит разрешение до 576*768 пикселов. Объектив обеспечивает работу в
двух режимах: узкого (3,6*4,8°) и широкого (11,2*15,0°) поля [185].
Указанные в табл. 14.1 и 14.2 ИКС для беспилотных летательных аппаратов Mini-
FLIR фирмы «Lockheed-Martin IRIS» работают в диапазоне 3,4...5,0 мкм при формате
ФПУ на PtSi, равном 512*488, и в двух угловых полях 12*9° и 3,0*2,25°.
Для легкого беспилотного самолета-разведчика OBSERVER фирма «DERA» (Вели-
кобритания) выпустила ИКС, работающие в спектральном диапазоне 8... 12 мкм, на ба-
зе двух неохлаждаемых диэлектрических микроболометров из PST формата 384*288
пикселов размером 40 мкм [105]. Этот формат совпадает с форматами имеющихся на
борту самолета трех ПЗС-камер видимого диапазона, просматривающих поле 40*90°.
Инфракрасная система имеет два канала; объектив одного из них с фокусным расстоя-
нием 21,5 мм обеспечивает просмотр широкого поля 40*30°, а другого с фокусным
расстоянием 63 мм - узкого поля 13*10°. Это позволяет разделить функции обнаруже-
ния и распознавания. Двухканальная система помещена на платформу, которая повора-
чивается внутри контейнера диаметром 190 мм, обеспечивая просмотр поля обзора в
90° по углу возвышения, что соответствует полю визуального канала. Информация о
просматриваемом поле в реальном масштабе времени передается на наземную систему
контроля. Телеметрически передаваемые данные содержат сведения о положении и
ориентации самолета-носителя, что позволяет выполнить координатную привязку на
местности обнаруживаемых и распознаваемых объектов с погрешностью менее 20 м.
Расстояние от наземной станции до самолета может достигать 25 км; размер участка
просматриваемой поверхности при поле 40*90° и высоте полета 300 м составляет
0,8* 1,0 км.
Ожидается, что для микроболометров из PST эквивалентную шуму разность темпе-
ратур АТП = 140 мК при частоте кадров 50 Гц и диафрагменном числе объектива К = 1
14.2. ИКС военного назначения
377
удастся довести до 25 мК. При диаметре входного зрачка объектива 75 мм, К = 1 и раз-
решении 100 пар линий на всей ширине кадра минимальная разрешаемая такими мик-
роболометрами разность температур составляет 100 мК, а при разрешении 150 пар ли-
ний - 200 мК.
Используемые в этой системе объективы имеют линзы с дифракционными поверхно-
стями, изготовленные из Ge и ZnSe. В них предусмотрена пассивная атермализация для
окружающих температур от -10 до +50°С. По мнению авторов [105], совершенствование
технологии микроболометров позволит увеличить диафрагменное число объектива до
К = 2, что заметно уменьшит массу, размеры и стоимость оптической системы.
Для модуляции излучения, поступающего на диэлектрические микроболометры, ис-
пользуется общий для обоих каналов вращающийся обтюратор.
14.2.5. СИСТЕМЫ МОРСКОГО БАЗИРОВАНИЯ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ
НАБЛЮДЕНИЯ, ОБНАРУЖЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ ЦЕЛЕЙ
Долгое время на кораблях ВМФ США явно доминировали радиолокационные сис-
темы (РЛС) обнаружения, распознавания и слежения за целями. Однако появление низ-
ко летящих над водной поверхностью ракет заметно ослабило эту монополию, по-
скольку при низких углах возвышения, т.е. малых углах относительно видимого водно-
го горизонта, эффективность РЛС резко снижается из-за большого числа помех, не по-
зволяющих, в частности, четко определить линию горизонта. В такой ситуации гораздо
проще и надежнее работать в ИК-области спектра, где контраст между водной и воз-
душной средами достаточно высок, т.е. разрешение ИКС выше, чем РЛС. Оптималь-
ным вариантом системы обнаружения, распознавания и слежения с борта надводных
судов сегодня считается комбинация ИКС, определяющей положение линии горизонта,
и РЛС. Подобное комплексирование заметно снижает стоимость и сложность системы
определения горизонта, поскольку позволяет использовать простую и сравнительно
дешевую РЛС [145].
Опыт военных операций типа «Буря в пустыне» показал необходимость иметь более
эффективные, чем РЛС, средства для обнаружения и идентификации плавающих мин,
малых судов и высокоскоростных воздушных малоразмерных целей, которые должны
функционировать в условиях темноты или плохой видимости. Наиболее близкими к та-
ким средствам были признаны малогабаритные ИКС и низкоуровневые телевизионные
системы, работающие в сочетании с лазерными дальномерами, целеуказателями и сис-
темой стабилизации пространственного положения платформы, на которой они уста-
навливаются. В США в середине 90-х годов была создана система Thermal Imaging Sen-
sor System (TISS), включающая тепловизионный и дневной телевизионный каналы, ла-
зерный дальномер и комплексируемая с другими, в частности с радиолокационными,
корабельными системами [145]. Эта система выполняет автоматическое слежение и со-
провождение обнаруженных целей. Инфракрасный (тепловизионный) канал снабжен
объективом с переключающимся угловым полем 6,3x4,7° в режиме слежения и 2,1х 1,6°
378 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
в режиме запроса. В качестве ФПУ используется матрица формата 512x484 с термо-
электрическим охлаждением. Дневной телевизионный канал также работает в режиме
широкого (6Х4,5°) и узкого (1,6x1,2°) углового поля камеры высокого разрешения на
ПЗС формата 1080x486 пикселов.
В последние годы отмечается увеличение числа ИКС «смотрящего» типа морского
базирования, работающих в диапазоне 3...5 и 8...12 мкм. В очень влажных климатиче-
ских условиях более предпочтителен рабочий диапазон 3...5 мкм, для которого из-за
меньшего поглощения излучения во влажной атмосфере обеспечиваются большие
дальности наблюдения. Однако, поскольку в диапазоне 8... 12 мкм ИКС менее подвер-
жены влиянию солнечных прямых и отраженных засветок (бликов), лучшим решением
оказалось комплексирование ИКС, работающих в обоих этих диапазонах (3...5 мкм но-
чью и 8... 12 мкм днем).
Угловое поле ИКС по вертикали может быть выбрано небольшим - порядка 1°, что
позволяет при существующих форматах ФПУ достичь хорошего геометрооптического
разрешения, которое определяется лишь условиями работы системы, например волне-
нием моря или наличием солнечных бликов на водной поверхности. Учитывая очень
большие градиенты влажности и температуры у поверхности моря, очень важно при
оценке возможностей ИКС, работающих при низких углах возвышения, иметь в виду
рефракцию и флуктуации показателя преломления воздуха на трассах распространения
излучения.
Комплексирование с РЛС позволяет увеличить время, отводимое на обнаружение
или распознавание с помощью ИКС, что заметно снижает вероятность ложных тревог.
К еще одной особенности ИКС морского базирования относится необходимость
стабилизировать платформу, на которой устанавливается система. Но даже и при такой
стабилизации в угловом поле ИКС в качестве фона могут наблюдаться весьма различ-
ные по своим оптическим свойствам воздушное пространство и водная поверхность,
причем весьма нестационарные во времени.
Совершенствование ИКС «смотрящего» типа привело к разработке ряда новых сис-
тем для корабельных систем вооружения. В середине 80-х годов на кораблях ВМФ
США появились сравнительно малогабаритные системы AN/KAS-1, предназначенные
для дистанционного обнаружения некоторых химических веществ, а также для обычно-
го наблюдения за окружающей обстановкой в ночных условиях. Их прообразом был
стабилизированный вертолетный комплекс, состоящий из системы низкоуровневого
телевидения и ИКС на базе МПИ из InSb, PtSi и КРТ. Инфракрасная система работала в
диапазоне 3...5 мкм и могла определять линию горизонта при отсутствии сильного ту-
мана и дождя.
На базе ГМП, состоящего из ЭОП II и ПЗС-матрицы формата 756x581, фирмой «Jai
Andersen Ingeniorfirma А/S» (Дания) для ВМС Норвегии создана малогабаритная теле-
визионная система с разрешающей способностью 450 ТВЛ, имеющая габариты
250^80x65 мм и массу 900 г [160].
Военно-морские силы США и Великобритании стремятся снабдить большинство сво-
их судов стационарными (а не переносимыми или выдвижными) оптико-электронными
14.2. ИКС военного назначения
379
системами. Лишь на некоторых судах будут оставаться выдвижные ОЭС, в том числе и
ИКС. Типичной ОЭС в ближайшем будущем будет, очевидно, двухканальная система,
имеющая видео- и ИК-каналы с изменяемыми угловыми полями.
Система TISS II, выпускаемая компанией «DRS Technologies» (США), предназначена
для ведения разведки и наблюдения с борта кораблей в двух спектральных диапазонах
(3,8 мкм и 3,8.. .4,5 мкм). Она построена на базе охлаждаемого до 95±5 К КРТ-приемника
формата 640x480. Приемник имеет хорошее температурное разрешение - от 25 до
100 мК. Система комплектуется сменными объективами с фокусными расстояниями 450;
700 и 1400 мм и соответствующими им угловыми полями от 1x1,5 до 6,6Х4,95°. Время
выхода на рабочий режим системы охлаждения составляет не более 7 мин. Система
TISS II кроме ИКС включает лазерный дальномер, ТВ-систему на базе ПЗС, систему
слежения за целью, систему стабилизации линии визирования. Просматриваемое ею уг-
ловое поле составляет ±270° по азимуту и +85.. .-30° по углу возвышения.
Инфракрасная система кругового обзора Sea FLIR (компания «FLIR Systems») ском-
понована совместно с дневным каналом на ПЗС (цветным и монохромным) и лазерным
дальномером-целеуказателем. Рабочий спектральный диапазон ИКС 3...5 мкм обеспе-
чивается с помощью InSb-МПИ формата 256х256, просматривающего угловое поле
17,6x1,76° с помощью объектива с переменным фокусным расстоянием (25...250 мм).
Угловое разрешение ИКС составляет 0,12 мрад.
Фирма «Е1ор Electro-Optics Industries Ltd.» (Израиль) по заказу ВМС Израиля при-
ступила к серийному производству многофункциональной системы MSIS (Multisensor
Stabilized Integrated System), предназначенной для обнаружения с кораблей надводных,
воздушных и наземных целей на дальностях до 18 км, их распознавания на дальностях
до 11 км и круглосуточного слежения за ними [44, 241]. В состав системы входят теп-
ловизионная ИКС переднего обзора, функционирующая в диапазоне 8... 12 мкм, теле-
визионная камера на ПЗС и лазерный дальномер. Эти приборы помещены в шарообраз-
ный корпус на гиростабилизированной платформе. Тепловизионная система имеет
микрохолодильник, работающий по замкнутому циклу Стирлинга. Она может просмат-
ривать одно из трех угловых полей: узкое (1,2°), среднее (7°) и широкое (24,5°). Матри-
ца чувствительных элементов представляет собой, по сути дела, линейку формата
2x120. Углы обзора всей гиростабилизированной системы составляют от -35 до +85°
по углу возвышения и от 0 до 360° по азимуту. Скорость вращения системы равна 60 и
90 угл.град/с.
Для систем контроля огня, применяемых на военных кораблях, фирма «Alenia
Markoni Systems» предлагает ИКС двух типов. Система первого типа (формата 288х4)
работает в диапазоне 8... 12 мкм и имеет узкое (3,3х2,4°) и широкое (8Х6°) угловое по-
ле, а система второго типа (формата 384x256) - в диапазоне 3...5 мкм. В обеих систе-
мах угловое поле плавно изменяется от 1,3 до 2,7°. Системы объединены в единый
комплекс с ТВ-камерой и лазерным дальномером-целеуказателем.
Для ВМФ ФРГ фирма «Zeiss Optronik GmbH» разработала систему наблюдения и
контроля огня MSP 500, в которую наряду с визуальным каналом, твердотельным ТВ-
датчиком и лазерным дальномером входит ИКС на базе КРТ-приемника формата
380 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
576*576, работающая в диапазоне 7,5... 10,5 мкм (или 3...5 мкм) в угловом поле, изме-
няющемся от 1,5*2 до 5,2*7°.
По контракту с Агенством перспективных оборонных исследований (DARPA) фир-
ма «Kollmorgen Electro-Optical» (США) выпускает систему обзора, обнаружения целей
и наблюдения за ними Model 86 для подводных лодок класса «Мемфис» [160], которая
включает визуальный и ИК-каналы, обеспечивающие круглосуточную работу. Угловое
поле каждого канала переменное: у визуального - 16*12° и 4*3°, у ИК — 9*6,75° и 4*3°.
Наблюдаемые углы возвышения у системы, устанавливаемой на выдвижную периско-
пическую мачту, составляют от -10 до +60° для визуального канала и -10 до +55° - для
ИК-канала. Инфракрасный канал может иметь рабочий спектральный диапазон 3...5
или 8... 12 мкм. В системе используется монохромная (1035*1940 пикселов) и трех-
цветная (480*640 пикселов) ТВ-камера на ПЗС.
Перископические системы аналогичного назначения, также работающие в видимом
и двух ИК-диапазонах и создающие монохроматическое и цветное ТВ-изображения,
выпускают компании «Sagem» (Франция) и «Zeiss Optronik GmbH» (ФРГ).
Работу перископов современных подводных лодок отличает то, что они часто долж-
ны подниматься над водой на очень ограниченное время (несколько секунд), совершать
панорамный обзор надводной обстановки и быстро опускаться. С учетом этого в со-
временные перископы стали вводить ОЭС, просматривающие панорамное поле обзора
и запоминающие изображение, которое анализируется после погружения перископа,
т.е. не в реальном масштабе времени. Компания «Zeiss Optronik GmbH» сообщила о
разработке такой системы, включающей видимый (телевизионный) и ИК-каналы, двух-
осную систему стабилизации линии визирования, а также лазерный дальномер [178].
Входящая в нее ИКС ATTICA С320 О/З будет использовать ФПУ на базе КРТ формата
288*384 (или 240*320) или на базе InSb формата 256*384. Первые смогут работать в
двух диапазонах: 3...5 мкм и 8... 11 мкм. Предполагается использовать холодильную
машину, работающую по циклу Стирлинга. Оптическая система будет иметь два угло-
вых поля: узкое - 3,6*4,8° и широкое - 11,2*15°. Аналоговый или цифровой выход
обеспечат разрядность в 14...16 бит. Напряжение питания составит 18...32 В постоян-
ного тока при потребляемой мощности 45 Вт.
Учитывая высокую скорость сканирования поля обзора вращающейся головкой, ус-
тановленной на мачте перископа (порядка 120%), что соответствует перемещению ли-
нии визирования на несколько пикселов ФПУ за 1 мс, в системе будет предусмотрена
компенсация сдвига изображения, происходящего за время кадра. Такая компенсация
осуществляется поворотом помещаемой перед МПИ плоскопараллельной пластинки,
синхронизированным с вращением всей головки, т.е. просмотр поля обзора будет осу-
ществляться «покадровым» способом, когда линия визирования скачкообразно пере-
мещается от центра к центру следующих друг за другом кадров, просматриваемых
ФПУ.
Научно-исследовательский центр ВФМ США («Office of Naval Research») сообщил
о разработке помехозащищенной ОЭС «смотрящего» типа (SPIRS), просматривающей
угловое поле 360*1,8° с частотой кадров 30 Гц и построенной на базе одно- или двух-
14.2. ИКС военного назначения
381
цветного МПИ формата 1024x1024 или 1500x500 производства компаний «Вое-
ing/Rockwell» (США). Система позволяет обнаружить крылатую ракету противника за
18 с до ее подлета к защищаемому кораблю. За 12 с происходит распознавание ракеты
и за 6 с — определение ее траектории. Она будет содержать анаморфотную оптическую
систему для «сжатия» изображения по вертикали (углу места). Разрешение должно со-
ставить 180 мкрад по вертикали, 360 мкрад по горизонтали. Двухцветовой приемник
планировалось создать на базе HgCdTe/CdZnTe для спектрального диапазона 8... 12 мкм
и на InSb для диапазона 3... 5 мкм.
Комплексы для кораблей ВМФ, включающие ИКС «смотрящего типа», разрабаты-
ваются и другими фирмами («Northrop Grumman», «Raytheon Systems Company»
(США), «ВАЕ Systems» (Великобритания) и др.). Несмотря на различия в их конструк-
циях принципиальные особенности их структурных схем практически сохраняются.
Сюда относятся комплексирование с другими датчиками и подсистемами, выбор рабо-
чих диапазонов 3...5 и 8...12 мкм, переменное угловое поле объектива, использование
унифицированных модулей.
14.2.6. ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
В РАКЕТНОЙ ТЕХНИКЕ
Инфракрасные системы едва ли не впервые стали широко применяться в ракетной
технике. Преимущества ИК-диапазона спектра для работ ИКС наведения и самонаве-
дения хорошо известны и здесь не рассматриваются. До настоящего времени большин-
ство ИКС для ракетной техники являются сканирующими. Появление высококачест-
венных МПИ и ФПУ на их основе, успешно работающих в спектральных диапазонах
3...5и8...14 мкм, открыло большие перспективы для развития этих систем. Однако по
вполне понятным причинам в открытой литературе сведений о них по сравнению с
ИКС других назначений очень мало. Приведем лишь некоторые из них.
Особенности ИКС «смотрящего» типа, работающих в составе ИК-головок самона-
ведения современных ракет, подробно рассмотрены в [234]. Специфика систем самона-
ведения - быстродействующи следящих систем, функционирующих в условиях боль-
ших динамических нагрузок, заметно сказывается на выборе спектрального рабочего
диапазона, типа ФПУ и МПИ, конструкции системы охлаждения и др. В [234] сопос-
тавляются требования к пространственному и температурному разрешению ИКС, а
также к допустимым временам накопления зарядов в ячейках схемы считывания, к оп-
тической схеме и геометрооптическим параметрам объектива, к материалам, из кото-
рых изготавливаются оптические детали, и стоимости системы. На основании подроб-
ного анализа этих факторов и учета особенностей методов наведения современных ра-
кет и систем слежения (целеуказания, коррекции направления визирования и траекто-
рии полета), а также стабилизации оптической оси в пространстве авторы [234] прихо-
дят к выводу, что для работы в диапазоне длин волн 3...5 мкм лучше использовать
ИКС «смотрящего» типа с фотонными охлаждаемыми МПИ на базе PtSi и InSb. Если в
15 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
382
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
системах наведения и самонаведения с автоматическим распознаванием целей необхо-
дим не один рабочий спектральный диапазон, а два или более, некоторые выводы и ре-
комендации, содержащиеся в [234], следует подвергнуть пересмотру, особенно если
учитывать быстрое развитие ФПУ на базе ФКЯ, микроболометров и др.
Для следящей системы ракеты «Полифем», разрабатывавшейся в начале 90-х годов
совместно Германией, Францией и Италией, было выбрано ФПУ на базе PtSi с крем-
ниевой схемой считывания формата 640x486. Размер пиксела составлял 24 мкм с коэф-
фициентом заполнения более 0,6. В системе использовались охлаждаемые диафрагма и
фильтр. При времени накопления 20 мс частота кадров составляла 50 Гц, a ATn не пре-
вышала 100 мК при диафрагменном числе объектива 1,4. Система охлаждения с хлада-
гентом - жидким азотом выводила ФПУ в рабочий режим менее чем за 3 мин [234].
Объектив системы состоял из четырех линз, изготавливаемых из Si и Ge; коэффици-
ент пропускания объектива в рабочем спектральном диапазоне (3...5 мкм) превышал
90%. Одна из поверхностей выполнялась асферической. Охлаждаемая апертурная диа-
фрагма размещалась в сосуде Дьюара, а диаметры отдельных компонентов объектива
выбирались так, чтобы избежать виньетирования. В объективе предусматривалась пас-
сивная атермализация. Объектив создавал изображение размером около 15,4x11,6 мм
на чувствительном слое МПИ при мгновенном угловом поле около 200 мкрад. Коорди-
натор размещался в двухкарданном подвесе и обеспечивал работу в пределах азиму-
тальных углов ±30° и углов возвышения от +15 до -30° при угловой скорости слежения
1 рад/с и ускорениях 10 рад/с2.
Для предотвращения размытия изображения в координаторе использовалась элек-
тромеханическая система гироскопической стабилизации, работающая как цепь обрат-
ной связи по скорости в полосе частот в несколько десятков герц. Параметры этой сис-
темы хорошо согласовывались со сравнительно большим временем накопления зарядов
в ФПУ на основе PtSi.
Управление ракетой «Полифем» производилось с командного поста по волоконно-
оптическому кабелю. Пост мог располагаться на земле, надводном или подводном ко-
рабле, на вертолете. Дальность действия ракеты достигала 60 км при высоте полета над
подстилающей поверхностью до 200 м со скоростью до 200 м/с.
Изображение по волоконно-оптическому каналу связи передавалось на командный
пост управления огнем, где и обрабатывалось, что уменьшало габариты, массу и стои-
мость самой ракеты. Такая обработка заключалась, прежде всего, в коррекции неодно-
родностей чувствительности элементов ФПУ. Изображение, предъявляемое оператору,
корректировалось в течение полета ракеты. На последних стадиях полета при уточне-
нии вида цели и захвата ее использовались алгоритмы слежения по контрасту в сочета-
нии с корреляционными алгоритмами выбора цели и наведения на нее.
Фирмой «EADS LFK GmbH» (Германия) при участии компании «Bofors» (Швеция)
создана ИК-следящая система для управления ракетой KEPD 350 класса «воздух - зем-
ля» [234]. Учитывая маневренность и высокую скорость подлета ракеты к цели, в ИКС
использовано ФПУ с малым временем накопления зарядов и их считывания в КМОП-
схеме на базе Si. После анализа технических требований к системе слежения и требова-
14.2. ИКС военного назначения
383
ний к ее стоимости разработчики остановили свой выбор на InSb-МПИ формата 256x256,
обеспечивающем работу в угловом поле около 10°. При размере пиксела 30 мкм, диа-
фрагменном числе объектива К = 2 и времени накопления в несколько миллисекунд
ДГП составила менее 50 мК. В системе используется миниатюрное охлаждающее уст-
ройство фирмы «Raytheon IRCOE», на жидком аргоне, работающее по схеме Джоуля-
Томсона. Время выхода системы охлаждения на рабочий режим не превышает 1 мин.
Объектив ИКС состоит из четырех линз из Si, ZnSe и Ge со сферическими поверхностя-
ми, ахроматизирован и атермализирован. Сферический обтекатель из кремния защищен
углеродистым покрытием. Входным зрачком объектива служит охлаждаемая диафрагма
сосуда Дьюара. Коэффициент пропускания оптической системы превышает 90%. Размер
изображения (общий размер чувствительного слоя МПИ) равен 7,68x7,68 мм. Фокусное
расстояние выбрано так, чтобы обеспечить мгновенное угловое поле менее 1 мрад.
Функция передачи модуляции на частоте Найквиста превышает 50%.
В [234] содержатся сведения о системах слежения и стабилизации координатора цели
ракеты KEPD 350, в составе которого работает ИКС; в частности, указывается, что угло-
вая скорость системы слежения достигает 10 рад/с при ускорении 40 рад/с2. Предвари-
тельная информация о цели, ее координатах, фоно-целевой обстановке вводится в блок
памяти системы управления ракетой. В процессе полета эта информация в виде двумер-
ных электронных изображений с помощью системы навигационных, радиолокационных
и других систем уточняется. При слабом контрасте цели или ее маскировке ИК-следящая
система осуществляет ее поиск, а затем выдает сигналы управления в соответствии с уг-
ловым рассогласованием между линией визирования цели и осью ракеты.
В системах наведения и самонаведения ракет класса «воздух-воздух», разрабаты-
ваемых фирмой «ASRAAM» и устанавливаемых на борту самолетов ВВС стран НАТО,
используются ИКС на базе выпускаемых компанией «Raytheon» InSb-матриц формата
128x128, обеспечивающие максимальную дальность обнаружения и захвата цели до
15 км. Как сообщается в [160], та же компания разрабатывает двухдиапазонную (ИК и
УФ) систему Raytheon FIM-92 Stinger для вертолетных ракетных систем класса «воздух -
воздух». В управляемых бомбах используется система Rafael (фирма «Northrop Grum-
man Litening», США) с тепловизионным каналом формата 708x240, работающим в
спектральном диапазоне 8... 12 мкм, и ПЗС-матрицей формата 768x494. Система рабо-
тает в узком (1,5x1,5°) и широком (16,4x24,5°) угловых полях.
Компания «NVT» (США) для ракетных следящих систем выпускает ИК-камеру Po-
seidon (рис. 14.5 на вклейке), построенную на базе МПИ из PtSi формата 320х240 с пе-
риодом пикселов 25x25 мкм и коэффициентом заполнения 0,5. Рабочий спектральный
диапазон системы - 3.. .5 мкм; ДГП - менее 90 мК; угловое поле объектива cf = 50 мм и
К= 1,8 составляет 9,2x7,0°. Масса ИКС 6 кг, энергопотребление 50 Вт. Система рабо-
тает в диапазоне окружающих температур от -10 до +60°С.
В головках самонаведения ракет Block IVA класса «поверхность-воздух», стоящих
на вооружении ВМФ США, предполагается использовать ФПУ формата 256x256 ком-
паний «Raytheon» (для диапазона 8... 12 мкм) и «Rockwell» (для диапазона
4.. .4,85 мкм). Угловое поле систем составляет 3°.
15*
384 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Для идентификации боевых частей ракет и селекции их от ловушек-помех лабора-
ториями «Jet Propulsion ЬаЬ.»и «US Air Force Research Lab.» разработано двухдиапа-
зонное (8...9 и 14...15 мкм) ФПУ формата 640x486 на базе ФКЯ. Режим ограничения
пороговой чувствительности фоном с температурой 300 К для диапазона 8...9 мкм дос-
тигается при охлаждении приемника до 70 К и использовании охлаждаемой диафраг-
мы. В диапазоне 14... 15 мкм для обеспечения этого режима приемник и диафрагму ох-
лаждают до 40 К.
С конца 90-х годов компания «Raytheon Systems» (США) выпускает ИК-следящую
систему для ракет EFOG-M, пусковые установки которых базируются на автомобилях.
В системе используется МПИ на основе PtSi формата 640x640, работающий в диапазо-
не 3...5 мкм.
Та же компания совместно с «Lockheed Martin» разработала переносимую одним че-
ловеком противотанковую ракетную систему Javelin, в которой система наведения вы-
полнена на основе охлаждаемого KPT-приемника формата 64x64, работающего в спек-
тральном диапазоне 8... 12 мкм.
Для оснащения противотанковых систем с управляемыми реактивными снарядами
(ПТУРС) типа Bill, Milan, Tow и Егух, принятыми на вооружение в НАТО, была разра-
ботана инфракрасная камера BIRC, построенная на базе матричного ФКЯ ACREO фор-
мата 320x240 и совмещенная с дневным каналом системы прицеливания ПТУРС. На-
пряжение питания системы массой около 9 кг, устанавливаемой на специальный шта-
тив, подается от литиевых батарей со сроком непрерывной службы 2...3 ч [108].
Для работы в составе портативных переносимых ракетных комплексов компания
«FLIR Systems» (США) поставляет ФПУ на ФКЯ-МПИ формата 320x240, работающие
в диапазоне 7,5...9,3 мкм. Объектив системы имеет широкое (4,6x3,5°) и узкое
(2,3х 1,7°) угловое поле. Частота кадров составляет 50 Гц. Потребляемая в процессе ра-
боты мощность не превышает 25 Вт, диапазон температур окружающей среды - от -30
до +60°C. Системы на ФКЯ-матрицах можно эффективно использовать для различения
нагретых («горячих») и холодных объектов, в частности для раздельного наблюдения
корпусных элементов объектов ракетно-космической техники, пламени и других про-
дуктов истечения ракетных двигателей. Так как температура корпуса многих ракетных
систем близка к 25О°С, а температура истекающего пламени двигателя может достигать
950°С, то на длине волны 4 мкм отношение энергетических светимостей пламени и
корпуса составляет около 25-103, а на длине волны 8,5 мкм оно снижается до 115. По-
скольку динамический диапазон принимаемых сигналов большинства современных
ИКС не превышает 12 дБ (4096 крат), для выделения изображения корпуса на ранних
стадиях полета ракеты на фоне пламени двигателя лучше использовать диапазон около
8,5 мкм, т.е. тот, где хорошо работают ФПУ на ФКЯ. Это было убедительно продемон-
стрировано при наблюдении за стартом ракеты Delta-II [133].
В [279] описываются эксперименты и приводятся некоторые сигнатуры сигналов,
создаваемых на различных стадиях запуска и полета корпусами и пламенем двигателя
баллистических ракет типа Boing Delta ПА и AtlasIIA. Измерения проводились с по-
мощью ИКС на базе двухдиапазонных ФКЯ-МПИ. Зеркальный объектив ИКС имел
14.3. ИКС для управления транспортными средствами
385
входной зрачок диаметром 76,2 см и фокусное расстояние 609,6 см. Размер пиксела
ФПУ был равен 40 мкм, что обеспечивало угловое разрешение 6,56 мкрад при общем
угловом поле 1,68 мрад (0,096°).
14.3. ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ
Многие современные ИКС для управления транспортными средствами (для вожде-
ния, пилотирования, ориентации на местности, навигации и т.п.) являются хорошими
примерами реализации «двойных» технологий, т.е. используются или могут использо-
ваться как в военных, так и в гражданских целях.
Вождение и пилотирование транспортных средств можно выполнять с помощью
двух основных типов ИКС: инфракрасных очков (очков ночного видения) в виде наго-
ловной (нашлемной) системы и прибора, размещаемого стационарно с выводом систе-
мы отображения на приборную панель, лобовое стекло кабины или рядом с ними. Сис-
темы первого типа чаще используются в качестве средств пилотирования вертолетов и
самолетов, а системы второго типа — преимущественно в качестве средства вождения
автомобильной и бронетанковой техники.
14.3.1. ИНФРАКРАСНЫЕ НАГОЛОВНЫЕ И НАШЛЕМНЫЕ СИСТЕМЫ
(ОЧКИ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ)
Выпускаемые многими фирмами и организациями [12,14] наголовные и нашлемные
ИКС (очки ночного видения - ОНВ), как правило, представляют собой системы много-
целевого назначения. Они предназначены для вождения наземного, речного и морского
транспорта, пилотирования самолетов, наблюдения за природными объектами, ориен-
тации и навигации на местности, охраны различных объектов и др. Отдельную под-
группу ОНВ составляют очки для пилотов вертолетов в виде нашлемной или наголов-
ной конструкции, позволяющей в ночных условиях вести полеты, взлеты и посадки на
малых высотах, обнаруживать препятствия на трассе полета, совершать другие опера-
ции, например наблюдать за подстилающей поверхностью и обнаруживать различные
объекты (линии электропередачи, транспортные средства, строения, людей и т.п.). При
использовании средств подсветки (ИК-прожекторов) их дальность действия может воз-
растать в несколько раз. Очки выполняются как в монокулярном, так и бинокулярном
исполнении.
Такие ИКС состоят из приемной оптики, элемента, формирующего видимое изо-
бражение (ЭОП, ЖКД, и др.), оптической системы, передающей полученное изображе-
ние в глаз наблюдателя, собственно шлема или другой наголовной конструкции. В от-
дельных случаях в них включают системы слежения за поворотом головы наблюдателя.
Формирователь (преобразователь) изображения и передающая оптическая система
386
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
крепятся на шлеме. Система слежения наблюдает за положением линии визирования и
формирует сигнал об отклонении этой линии от направления на цель, поступающий в
систему управления транспортным средством, обычно вертолета или самолета.
При разработке ИКС для вождения транспортных средств, включая пилотирование
вертолетов и самолетов, отдельной проблемой стоит совмещение этих систем с источ-
никами освещения и подсветки, расположенными в кабинах, на борту или на корпусе
(например, подсветка шкал и панелей), на трассе наблюдения или вождения и т.д.
Впервые с этой проблемой столкнулись разработчики ИКС на базе ЭОП, работающих в
ближнем ИК-диапазоне, поскольку в том же спектральном диапазоне излучают обыч-
ные лампы накаливания, многие электролюминесцентные источники, светодиоды. Из-
лучения, отраженные от стеклянных поверхностей, в кабине создают тени и ореолы в
изображении, наблюдаемом с помощью ЭОП, а кроме того, приводят в действие систе-
мы автоматической регулировки яркости в приборах с ЭОП, снижая чувствительность
и разрешение и тем самым уменьшая дальность действия приборов.
Для борьбы с указанными явлениями для подсветки внутрикабинных приборов ис-
пользуют преимущественно коротковолновую часть видимого диапазона спектра
(0,4...0,61 мкм) с помощью специальных светофильтров, а в оптическую систему при-
боров с ЭОП вводят отсекающие фильтры с коротковолновой границей пропускания
0,625...0,665 мкм (фильтры minus-blue). За рубежом разработаны специальные стан-
дарты на внутрикабинное освещение вертолетов (MIL-L-85762) и самолетов (MIL-L-
85762А). Если на первых стадиях развития в нашлемных системах использовали катод-
но-лучевые трубки (КЛТ), то сегодня все чаще применяют плоские электролюминес-
центные панели, жидкокристаллические дисплеи.
Для пилотов самолетов и вертолетов важна возможность одновременно наблюдать
внешнюю обстановку (через ОНВ) и приборную панель (невооруженным глазом). Для
этого в современных авиационных системах применяются светоделительные, дихроич-
ные и голографические комбайнеры. Иногда для создания изображений приборными
панелями используется лишь часть видимого диапазона оптического спектра, тогда в
оставшейся части этого диапазона пилот может наблюдать внешнюю обстановку.
В ряде систем голографические комбайнеры наносятся на внутреннюю сторону ко-
зырька защитного шлема пилота. При дневной освещенности ЭОП очков отключается.
Во избежание разбаланса конструкции шлема пилота с ОНВ отдельные каналы ОНВ
размещаются по сторонам шлема — слева и справа.
В литературе [12, 14, 56, 116, 138, 201 и др.] описано большое число нашлемных и
наголовных ИКС. Многие из них обеспечивают круглосуточную работу и поэтому ино-
гда называются приборами «день-ночь». В дополнение к § 11.4 приведем краткие све-
дения лишь о некоторых конструкциях ОНВ.
Обычно используемые в современных ОНВ ЭОП 1+ второго и третьего поколений с
волоконно-оптической пластиной на выходе имеют микроканальные усилители, встро-
енные источники питания, автоматическую регулировку яркости и защиту от мощных
источников засветки. Очки крепятся на наголовной маске, которая подходит для чело-
века с любой формой головы и фиксируется с помощью специальных ремней, а также
14.3. ИКС для управления транспортными средствами 387
на шлеме пилота или водителя. Конструкция позволяет изменять межзрачковое рас-
стояние, диоптрийную наводку и фокусировку объектива в широких диапазонах. В
отечественных ОНВ, выпускаемых ОАО «Загорский оптико-механический завод»,
ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла» и другими предприятиями, угловое
поле составляет 36...40°, пределы регулировки окуляров от -3 до +5 дптр, база глаз -
55...76 мм. Их масса не превышает 1 кг.
Прибор «Альфа-103 2», выпускаемый государственным унитарным предприятием
(ГУП) «Альфа» (табл. 14.8), может комплектоваться афокальной насадкой с увеличени-
ем 2,5 крат и ИК-прожектором «Альфа-8011», позволяющим значительно увеличить
дальность видимости.
Таблица 14.8
Технические данные очков ночного видения «Альфа-1032»
Увеличение, крат 1 (с насадкой 2,5)
Угловое поле, град 40 (с насадкой 10)
Разрешение (на оси), мрад 1,07
Фокусное расстояние объектива, мм 26
Диафрагменное число объектива 1,3
Диапазон фокусировки, см 25....оо
Диоптрийная наводка, дптр ±4
Диапазон рабочих температур, °C ±50
Непрерывное время работы при 20 °C, ч 24
Напряжение питания (2 элемента АЗ 16), В 2,5
Масса в снаряженном состоянии, кг 0,82 (с насадкой 1,0)
Дальность видения человека при свете звезд, м 200...250
К недостаткам бинокулярных очков относятся сравнительно большая масса и доста-
точно высокая стоимость ЭОП. Поэтому на практике большое распространение полу-
чили псевдобинокулярные ОНВ с одним объективом и одним ЭОП, изображение с эк-
рана ЭОП с помощью окулярной системы разводится на два глаза (см. § 6.6). Такие
ОНВ выпускают отечественные предприятия: ОАО «Загорский оптико-механический
завод», ОАО «Казанский оптико-механический завод», ОАО «Катод», ОАО «Ростов-
ский оптико-механический завод», ОАО «Ленинградское оптико-механическое объе-
динение» и др.
Псевдобинокулярные очки ночного видения «Сова-Б» Новосибирского приборо-
строительного завода (НПЗ) построены на базе ЭОП П+. Они имеют угловое поле 37°,
напряжение питания 3 В, габариты 150x152x73 мм и массу 0,7 кг.
Наголовные псевдобинокулярные ОНВ «Байгыш 27» Казанского оптико-
механического завода с увеличением Iх построены на базе ЭОП П+. Их угловое поле
составляет 40°, пределы диоптрийной установки - ±4 дптр. Диаметр выходных зрач-
388
Глава 14, Современное состояние и перспективы развития ИКС
ков равен 5 мм, а удаление глаза наблюдателя от окуляра - 20 мм. Габариты ОНВ
166х 160x65 мм, масса - 0,45 кг. Идентификация человека с помощью этих очков в
ночных условиях при %-фазе Луны возможна на расстоянии до 120... 160 м. Прибор
работает в диапазоне окружающих температур от -40 до +50°С, питание от двух эле-
ментов типа АА.
Прибор ГЕО-ОНВ4, выпускаемый научно-производственным объединением «Гео-
физика-НВ», построенный на базе ЭОП ПГ, имеет угловое поле 40°, питания напряже-
ние 3 В; габариты 180х 165 х 120 мм; масса (вместе с маской) 0,87 кг.
ГУП «Альфа» выпускает вертолетные бинокулярные очки ночного видения «Альфа-
2031» (табл. 14.9), закрепляемые на шлеме и имеющие быстросъемный противовес,
размещаемый сзади шлема для улучшения балансировки. Прикрепленные к шлему оч-
ки быстро откидываются наверх, одновременно отключая источник питания, которое
может быть автономным (от двух встроенных батарей типа АА или аналогичных акку-
муляторов) или от бортовой сети вертолета. В очках используется ЭОП III.
Таблица 14.9
Основные технические характеристики вертолетных очков
ночного видения «Альфа-2031»
Спектральный диапазон, мкм 0,6...0,9
Угловое поле, град 38
Увеличение, крат 1
Максимальная разрешающая способность, лин/мм 30
Коэффициент усиления яркости 20 000
Диапазон регулируемого межцентрового расстояния, мм 5 6,0... 72,2
Диоптрийная наводка, дптр ±4
Удаление окуляра от глаза оператора, мм 15...20
Габаритные размеры очков в рабочем положении, мм 100x135x185
Масса очков, кг 0,45
Масса противовеса, кг 0,57
Масса преобразователя напряжения с кабелем (устанавливаются на борту), кг 0,35
Диапазон рабочих температур, °C ±40
Дальность обнаружения, м, при естественной ночной освещенности 51(Г3лк: грузового автомобиля мачт линий электропередач 500...800 600... 700
В табл. 14.3 приведены параметры и характеристики ряда ОНВ, стоящих на воору-
жении армий США и НАТО и использующих ЭОП разных поколений, т.е. работающих
в ближнем ИК-диапазоне оптического спектра.
14.3. ИКС для управления транспортными средствами
389
В бинокулярной системе HIDSS (табл.14.10) [138] для шлема пилота вертолета
РАН-66 Comanche используются две миниатюрные КЛТ (1" ), позволяющие просмат-
ривать поле 30*52° с областью перекрытия в 17°. Планируется замена КЛТ плоскими
панелями на основе ЖК и электролюминесцентными панелями. В новых системах бу-
дут обеспечиваться угловые поля в 40° у монокуляров и 30*50° у бинокуляров с пере-
крытием 30°.
Таблица 14.10
Технические характеристики существующих и перспективных
нашлемных систем для пилотирования вертолетов
Тип системы HIDSS AVS/CONDOR AIHS-H/AIHS-K (для RAH-66 Comanche)
Масса, кг 1,8 1,8 — 1
Размер КЛТ (по длине/по вертикали) 20/27 14/27 —
Тип ЭОП I II II/-
Число окулярных каналов 1 2 2
Угловое поле, град 40*30 52*30 (6О...1ОО)*5О/52*ЗО
Удаление выходного зрачка, мм 10 >15 >15/>15
Электронный тракт Аналоговый Цифровой Цифровой/цифровой
Время готовности к работе, мс 17 34 -/42
Сегодня разработано большое число нашлемных (наголовных) ИКС, работающих
в длинноволновом спектральном ИК-диапазоне. Так, фирмой «FLIR Systems Inc.»
(США) создана ИКС с минимальной обнаруживаемой разностью температур менее
0,05 К при температуре фона 300 К [203]. Потребляемая мощность составляет менее
10 Вт, а общая масса — менее 3 кг при массе закрепляемого на голове оператора моду-
ля менее 0,5 кг. В системе, работающей в диапазоне 7... 14 мкм, используется микробо-
лометрическая матрица формата 320*240 с мгновенным угловым полем (угловым раз-
решением) 5,5 угл.мин. Угловое поле оптической системы равно 30° по горизонтали и
22,5° по вертикали. Температура ФПУ стабилизируется миниатюрным термоэлектри-
ческим холодильником. Вся система может работать при окружающей температуре
от -49 до +80°С.
Из условий рационального размещения ИКС на голове оператора, требований к ог-
раничению габаритов системы и ее балансировке, а также к глубине резкости изобра-
жения наблюдаемого пространства в этой системе выбран объектив с небольшим диа-
фрагменным числом и автоматической фокусировкой. Такая система корректирует из-
390 Глава 14, Современное состояние и перспективы развития ИКС
менения фокусного расстояния объектива из-за температурных воздействий, а главное -
обеспечивает наилучшую фокусировку при изменении расстояний до наблюдаемых
или обнаруживаемых объектов, происходящих, например, при наклоне головы опера-
тором (углы наклона могут доходить до 50...60°). После однократной калибровки для
конкретного оператора система фокусировки работает автоматически. В системе ис-
пользуется монокуляр, с помощью которого оператор наблюдает одним глазом плоский
электролюминесцентный экран (панель) с яркостью свечения порядка 685 кд-м 2. Кон-
струкция скомпонована так, чтобы опрокидывающий момент, возникающий при на-
клоне головы оператора с закрепленной на ней ИКС, не превышал 90 Н ем. Система
выдерживает ударные перегрузки до 40g и вибрационные до 2g.
В некоторых конструкциях ОНВ расстояние от последней поверхности оправы
окуляра до выходного зрачка («вынос выходного зрачка») делается достаточно боль-
шим, например 25 мм в ОНВ М927/929 и AN/AVS-6 ANVIS, что позволяет пилоту
наблюдать приборную панель боковым и «нижним» зрением, а также использовать
обычные очки.
Для увеличения углового поля ОНВ фирма «Night Vision Corp.» (США) предложила
использовать четырехканальную панорамную систему, в которой окуляры отдельных
каналов создают наложенные друг на друга изображения. В центральную зону разме-
ром 40х35° для каждого глаза может выводиться пилотажная информация.
Фирма «ГГТ» (США) проводила эксперименты по встраиванию в ОНВ миниатюр-
ной телевизионной камеры, на которую с помощью устанавливаемого на выходе одно-
го из окуляров светоделителя ответвляется ~10% излучения. Таким образом можно пе-
редавать наблюдаемое летчиком OHB-изображение другим членам экипажа, а также
наземным службам.
Технические характеристики некоторых зарубежных ОНВ, рекламируемых на ми-
ровом рынке авиационного оборудования и не вошедших в табл. 14.3 и 14.9, приводят-
ся в табл. 14.11.
14.3.2. СРЕДСТВА ВОЖДЕНИЯ НАЗЕМНОГО И ВОДНОГО ТРАНСПОРТА
Для обеспечения управления гражданскими и военными наземными транспортными
средствами в сложных эксплуатационных условиях (отсутствие или невозможность ис-
пользовать собственные источники подсветки ночью, дождь, снег, туман, пыль, дым и
т.д.) ряд зарубежных фирм предлагает ИКС «смотрящего» типа, стационарно устанав-
ливаемые на эти средства. Системы вождения наземных транспортных средств должны
обеспечивать возможность работы в полной темноте, не демаскируя себя; обнаружи-
вать препятствия на трассе движения; постоянно ориентироваться в пространстве, т.е.
определять свое местоположение относительно направления движения. Система не
должна отвлекать водителя от выполнения его обычных функций - управления транс-
портным средством. К современным водительским (наземным) системам помимо этих
требования обычно предъявляются и такие, как:
Таблица 14.11
Технические характеристики некоторых зарубежных ОНВ с видимым увеличением Iх
Марка, фирма- изготовитель, страна Тип ЭОП Коэффициент усиления яркости Угловое поле, град. Диафрагменное число объектива Масса ОНВ с узлом крепления, кг Примечание
М 927/929, «Litton», США НЛП 1,2-103/2-103 40 1,2 0,656 —
Nightbird, «ВАЕ», Великобритания II, III — 45 — 0,815 —
Series 1620, «Lanarealm», Великобритания II, III 47 1,3 0,67 Пилотажная информация в поле 18x24° на X = 0,67 мкм вводится в один глаз
HNV-3D, «Delft», Бельгия II «Super GEN», III «Omnibus 4» 30x40 1,3 Трубки ОНВ расположены слева и справа от головы пилота. Угловое поле наблюдателя через щиток 70°, сюда же в поле 20° вводится пилотажная информация
14.3. ИКС для управления транспортными средствами
392 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
- обеспечение достаточно больших угловых полей (до 15...20° по вертикали и до
20...30° по горизонтали), а в случае обзорного поискового режима работы — больших
полей обзора (до 30° по углу места и до 360° по азимуту);
- подобие угловых размеров обнаруживаемых или наблюдаемых объектов их разме-
рам при визуальном наблюдении невооруженным глазом, т.е. видимое увеличение сис-
темы должно быть равным единице; при этом сохраняются привычные для водителя
условия наблюдения, пространственной ориентации и вождения;
- ввод изображения в поле зрения водителя, не мешающий ему видеть приборную
панель и наблюдаемую сцену «напрямую»;
— нечувствительность системы к посторонним засветкам, например к внутрикабин-
ным, создаваемым приборной панелью;
- пыле-, влаго- и снегозащищенность системы; работать в большом диапазоне ок-
ружающих температур, например в диапазоне ±50°С, при относительной влажности до
76%; работоспособность в условиях заметных механических воздействий (ударов, виб-
раций); время непрерывной работы системы свыше 8...10 ч, а время наработки до отка-
за более 500... 1500 ч;
- дальность уверенного распознавания препятствий и дорожных знаков с размерами
0,5x0,5 м при движении по шоссе более 150 м, а при движении по грунтовым трассам
50 м (с вероятностью более 0,9).
Как известно, первые военные водительские приборы ночного видения строились на
базе ЭОП. И сегодня ИКС с ЭОП и ГМП (см. гл. 8) достаточно широко используются в
сухопутных войсках многих стран. В качестве примеров можно упомянуть перископи-
ческий круглосуточный водительский прибор Р-192 (Италия), такой же круглосуточ-
ный прибор ОВ-60 (Франция), отечественный танковый водительский прибор ТВН-5;
телевизионную систему заднего обзора для большегрузных автомобилей разработки
ЦКБ «Точприбор» (Россия); стереосистему ОРЭКС-ЗД, разработанную НПО «Орион»
на базе ЭОП, с МКП, состыкованным с ПЗС-матрицей; систему АСНВ фирмы «Турн»
(Россия) на базе ГМП.
Один из первых принятых на вооружение в США приборов вождения на МПИ
AN/VSS-5, разработанный фирмой «Texas Instruments» (США), предназначен для вож-
дения танка М1Ф1, БМП типа Bradly FVS М2/3, колесных машин HENTS, PLS и др.; в
нем использована пироэлектрическая матрица (ферроэлектрический микроболометр)
формата 327x245, работающая в спектральном диапазоне 7,5... 13,0 мкм. Для танков и
гусеничных БМП угловое поле обзора составляет ±50° по горизонтали и ±25° по верти-
кали, а для колесных БМП - ±90° и -20...+50° соответственно. Масса ИКС 5,4 кг (для
танков и гусеничных БМП) и 1,4 кг (для колесных БМП).
Компания «ВАЕ Systems» создала водительский прибор DTIV, работающий в спек-
тральном диапазоне 8... 14 мкм. В системе с неохлаждаемым микроболометром форма-
та 256x128 используется микросканирование, вдвое увеличивающее этот формат. Зна-
чение АГп составляет менее 120 мК. Прибор потребляет не более 28 Вт и работает при
температурах -ЗО...+55°С круглосуточно и всепогодно. Угловое поле прибора состав-
ляет 25° по вертикали и 50° по горизонтали.
14.3. ИКС для управления транспортными средствами
393
Фирма «Thales Optronics Inc.» (Канада) разработала водительский прибор с угловым
полем 100x40° на базе неохлаждаемого микроболометра формата 320*240 для спек-
трального диапазона 8... 12 мкм. Пределы фокусировки прибора - от 5 м до бесконеч-
ности, энергопотребление 30 Вт, диапазон температур окружающей среды от -46 до
+50°С.
Водительские приборы DVE (Drivers Vision Enhancer) на базе модулей SIM100, раз-
работанных фирмой «Lockheed Martin», используются в армиях стран НАТО. Системы
такого типа для военных применений и служб безопасности, например система LUTIS
(Light Uncooled Thermal Imaging Systems) (табл. 14.1 и 14.2, №39), использующая мо-
дуль SIM 150 фирмы «Lockheed Martin», была создана группой французских фирм.
Приборы вождения DVE успешно прошли испытания в условиях Европы, Ближнего
Востока и США. Эти системы, построенные по модульному принципу, состоят из
двухкоординатной системы установки и монтажа (LRU), узла приемной системы-
датчика (SIM) и узла системы отображения и контроля (DCM).
Основные параметры модуля SIM имеют следующие значения:
- рабочий спектральный диапазон 8... 12 мкм;
- формат микроболометрического МПИ 327*245;
- угловое поле 48° (по горизонтали)*36° (по вертикали);
- обеспечение поля обзора 40° (по азимуту) и 20° (по углу возвышения);
- диапазон углов разворота (уставок) от -25° до +40°;
- обнаружение и распознавание человеческой фигуры в полной темноте на расстоя-
нии 110 м в угловом поле 40*20° с вероятностью не менее 80%;
- обнаружение стационарных объектов с размерами типовых автотранспортных
средств на расстоянии 500 м с вероятностью не менее 90%;
— следование по трассе за транспортным средством, находящимся впереди на рас-
стоянии не менее 200 м.
Модули SIM использованы в совместной с ФРГ разработке прибора вождения STN
ATLAS для армий США, ФРГ и Великобритании. В состав STN ATLAS могут также
входить телевизионная твердотельная камера на ПЗС, выходные сигналы с которой по-
ступают на тот же дисплей, что и сигналы с выхода тепловизионного канала. В системе
предусмотрена возможность выполнять дополнительные операции, как вручную (уве-
личение углов обзора), так и автоматически (например, компенсация температурных
разъюстировок). Модуль дневного канала на ПЗС-фотоприемнике формата 510*492
имеет угловое поле 53*40°. Плоский дисплей на светодиодной матрице формата
320*240 имеет размеры 130*200*60 мм. В системе STN ATLAS предусмотрены регу-
лировка яркости экрана дисплея, коррекция контраста теплового изображения, а также
ряд других контрольных и настроечных операций.
Водительский прибор DVE-1000 R компании «Digital Imaging Infrared», построен-
ный на базе неохлаждаемого микроболометра формата 320*240, работает в спек-
тральном диапазоне 8... 12 мкм (рис. 14.6 на вклейке). Он имеет цветной жидкокри-
сталлический дисплей достаточно большого размера (264 мм по диагонали) и форма-
та 640*480. Объективы с фокусным расстоянием 25 и 50 мм и диафрагменными чис-
394 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
лами К = 1 обеспечивают угловые поля 42*31° и 18*14° соответственно. Пороговая
чувствительность прибора АГ,, < 85 мК. Прибор работает при окружающих темпера-
турах -32...+55°С. Масса модуля ФПУ и электронного тракта менее 1,5 кг, дисплея и
модуля контроля менее 4 кг.
Можно отметить разработки тепловизионных микроболометрических визиров серии
TWS, выполненных фирмой «Lockheed—Martin», которые хотя и предназначены для
стрелкового вооружения, однако могут быть использованы в специфических случаях
вождения наземных и водных транспортных средств (см. §14.2).
Сегодня на мировом рынке вооружений более 50 разновидностей ИКС третьего по-
коления (ИКС «смотрящего» типа), работающих в спектральном диапазоне 3...5 мкм и
предназначенных для управления транспортными средствами. Их основу составляют
МПИ на КРТ, InSb и PtSi. В указанном спектральном диапазоне можно использовать
сравнительно экономичные и малогабаритные термоэлектрические системы охлажде-
ния (оружейный прицел AN/PAS-19 на PbSe-МПИ формата 160*320, оружейный прицел
AN/PAS-13 TWS). Если необходимо получить АГП в сотые кельвина (0,025...0,04 К), в
ИКС применяют охлаждающие системы, работающие по циклу Стирлинга (фотопри-
емные модули и системы Portable FLIR, MISTI, TISS фирмы «Boeing», CHIA; KENIS
фирмы «Kentron», ЮАР; Avrora и Radiance HS фирмы «Raytheon», США, и ряд других).
Время выхода этих систем на рабочий режим составляет 5...7 мин. В некоторых систе-
мах используется микросканирование (Sea Star SAFIRE фирмы «Boeing», США; V4500
фирмы «ВАЕ», Великобритания; Radiance HS фирмы «Raytheon», США; MAG 2400
фирмы «Alenia», Италия), позволяющее вдвое увеличить формат ФПУ, например с
240*320 до 480*640 в морской ИКС Sea Star SAFIRE или с 256*256 до 512*512 в фото-
приемном модуле Radiance HS.
В качестве отечественного охлаждаемого ФПУ на базе PtSi, предлагаемого для ис-
пользования в приборах для безопасного вождения транспортных средств, можно отме-
тить разработки ЦНИИ «Электрон» (Санкт-Петербург): портативную тепловизионную
камеру «Талисман» (см. §14.5), а также матрицу формата 512*512, построенную по
двухпортовой схеме в виде двух самостоятельных фрагментов из 256 (по горизонтали)
512 (по вертикали) элементов.
Основными параметрами матрицы являются [4, 263]:
- шаг элементов по горизонтали 40 мкм, по вертикали 30 мкм;
— размер фотодиодного элемента 18*30 мкм;
- коэффициент заполнения 30%;
- общий размер чувствительного поля 20,48*15,36 мм;
- размер кристалла 23,5* 18,4 мм;
- сигнал насыщения 3,5 В;
- зарядовая емкость ячейки 1,1-106 электрон;
- время накопления 40 мс;
- частота работы горизонтальных регистров 5 МГц;
- чувствительность в спектральном диапазоне 3...5 мкм 1,6-109 (В/Вт)/элемент;
- динамический диапазон 64 дБ.
14.3. ИКС для управления транспортными средствами
395
Каждая ячейка матрицы включает фотодиод с электродом опроса и два затвора вер-
тикального четырехфазного ПЗС-регистра. Вертикальные регистры управляются внеш-
ними ключами. Емкость ячеек позволяет использовать матрицу при обзоре воздушного
пространства в угловом поле объектива 35x35°.
Для увеличения поля обзора можно на одной пластине реализовать двухпортовую
матрицу формата 1024x512 и/или четырехпортовую формата 1024x1024.
Отсутствие смаза изображения позволяет использовать матрицу в ИКС при регист-
рации быстропротекающих процессов или при наблюдении объектов, движущихся с
большими угловыми скоростями.
Испытания экспериментального образца тепловизионной камеры с матрицей форма-
та 256x256 на базе PtSi проводились в городских условиях в разнообразную погоду в
диапазоне окружающей температуры от-1 до +12°С. При объективе с диаметром вход-
ного зрачка 80 мм, относительном отверстии 1:1,1 и угловом поле 10° в диапазоне длин
волн 3,2...5,2 мкм эквивалентная шуму разность температур при обнаружении мало-
размерных объектов типа проводов оказалась равной 0,06...0,12 К (при калибровке по
черному телу с Т = 48°С и Т = 28°С соответственно). Смаза или остаточного сигнала от
изображения объектов, находящихся на дальностях от 0,2 до 10 км и движущихся с уг-
ловой скоростью до 1 рад/с, не наблюдалось. Отношение разности сигналов от объекта -
провода и фона к шуму составляло около 8, и провод был хорошо различим.
Повышение качества неохлаждаемых микроболометрических МПИ и одновремен-
ное снижение их стоимости усилило интерес к гражданским применениям транспорт-
ных ИКС, работающих в диапазоне 7... 14 мкм. Так, после многолетних исследова-
ний, стоивших более 100 млн долл., фирма «Raytheon» (США) в конце 1999 г. выпус-
тила на рынок систему ночного видения Night Vision (Night Driver), устанавливаемую
на автомобиль «кадиллак де Билль». Эта система, обеспечивающая пятикратное по
сравнению с обычными фарами увеличение дальности видения, построена на базе
термостабилизированной микроболометрической матрицы формата 320x240 (см. №8
табл.14.1 и 14.2). Камера с габаритами 120x105x125 мм, содержащая ФПУ и от-
дельные узлы электронного блока, монтируется в моторном отсеке автомобиля. Она
работает в спектральном диапазоне 7... 14 мкм, имеет угловое поле 12x9°, потребля-
ет мощность менее 7 Вт при автономном блоке питания и постоянное напряжение
12 В при питании от бортовой сети. Жидкокристаллический дисплей, изображение с
которого проецируется на лобовое стекло, обеспечивает поле обзора 11x4°. Габари-
ты всей системы составляют 235х285х110 мм. Диапазон рабочих температур системы
—4О...+75°С.
ИКС вождения Night Sight™ DW 1000, созданная также фирмой «Raytheon», обес-
печивает круглосуточное наблюдение. В ее основе лежит та же микроболометрическая
матрица формата 320x240. Угловое поле ИКС 40x30°, масса камеры 1,4 кг, дисплея 3 кг,
потребляемая мощность от 26 до 98 Вт при соответствующих температурах от +23 до
-6°С. Выход системы совместим с кассетными магнитофонами стандарта NTSC.
В рамках программы обеспечения безопасности автомобильного движения, реали-
зуемой Министерством земель, инфраструктуры и транспорта Японии, корпорация
396 Глава 14, Современное состояние и перспективы развития ИКС
«Nissan» создала опытные образцы ИКС для предотвращения наезда на пешеходов в
ночное время суток и в так называемой мертвой зоне видимости [140]. В качестве
чувствительных элементов были выбраны термопары формата 48x32 с размерами от-
дельных элементов 190x190 мкм. Это обусловлено рядом причин, и прежде всего, от-
сутствием необходимости иметь в составе ИКС систему охлаждения (и даже систему
термостабилизации или контроля температуры приемника) и какие-либо подвижные
детали, например обтюраторы, хорошей совместимостью термопар с обычными элек-
тронными схемами и КМОП-процессорами и, как следствие, низкой стоимостью сис-
темы и ее доступностью широкому кругу потребителей. Система с габаритами
100x60x80 мм имеет массу 400 г и потребляет мощность 3 Вт. Угловое поле однолин-
зового объектива системы 40x20°, фокусное расстояние 15 мм, диафрагменное число
К = 0,1. Германиевая линза объектива просветлена для X = 10 мкм. Чувствительность
приемника, определенная по излучению черного тела с Г =500 К, равна 2100 В/Вт
при постоянной времени 25 мс. Система работает в спектральном диапазоне
8...13 мкм; ДТп < 0,4°С.
На автомобиле предполагается устанавливать четыре таких системы - две спереди и
две сзади. Они способны обнаруживать ИК-излучение тела пешехода на расстоянии
около 3 м, после чего посылают сигналы в автоматическую систему управления и бло-
кировки автомобиля.
В последние годы появились сообщения о попытках использовать ИКС «смотряще-
го» типа для вождения речных и морских судов, а также в железнодорожном транспор-
те. В §14.2 говорилось о некоторых ИКС корабельного базирования, имеющихся в
ВМФ ряда стран. Приведем несколько примеров систем более широкого (военного и
гражданского) применения.
Система Sea LYNX, работающая в спектральном диапазоне 0,4...0,95 мкм, была
спроектирована специально для наблюдения за обстановкой вокруг речных и морских
судов, что особенно важно при прохождении судна в «узостях» и около берега. Систе-
ма не только обнаруживает объекты на поверхности воды: небольшие торчащие из во-
ды камни, бревна, льдины, малоразмерные суда, людей, но и с помощью встроенного
импульсного локатора определяет расстояния до них в диапазоне 50...350 м с погреш-
ностью 24 м. Угловое поле системы 9x4°, а разрешение на экране монитора - не менее
450 ТВЛ. Поворотное устройство, на котором устанавливается оптико-электронный
блок, обеспечивает просмотр поля обзора в диапазоне +15.. .-20° по углу возвышения и
±180° по азимуту с угловыми скоростями 30° в секунду. Пульт управления системой и
поворотным устройством может быть встроен в общий пульт управления судном, а
управление поворотами оптико-электронного блока и системой очистки защитного
стекла может осуществляться дистанционно.
В спектральном диапазоне 3...5 мкм работает ИКС Neptune фирмы «NVT» (рис. 14.7
на вклейке). Ее основу составляет PtSi-МПИ формата 640x480 пикселов размером 25 мкм
(№35 в табл. 14.1 и 14.2). Для этой ИКС ДТП < 90 мК. Объективы с фокусными расстоя-
ниями 100 и 300 мм и К = 1 позволяют просматривать угловые поля 9,09x6,93° и
3,05x2,32° соответственно.
14,4. ИКС, используемые правоохранительными и другими органами 397
Предназначенные для судов ИКС часто размещаются на одном основании с другими
навигационными или наблюдательными средствами, например с визуальными радио-
локационными и телевизионными. Так, система Neptune, имеющая в своем составе ла-
зерный дальномер, ПЗС-камеру и радиолокатор, устанавливается на разворачиваю-
щуюся по азимуту (±180°) и по углу возвышения (±30°) платформу. Электронный блок
и система отображения (15"-дисплей) вынесены в отдельный блок. Общая масса систе-
мы 95 кг, энергопотребление 100 Вт. Конструкция системы обеспечивает ее работоспо-
собность в условиях качки, повышенной влажности и химической агрессивности окру-
жающей среды.
Эффективность использования ИКС на водном и железнодорожном транспорте не
вызывает сомнений, особенно с учетом возможностей создания систем с увеличенными
габаритами, массой и энергопотреблением. Основной проблемой остается высокая
стоимость, препятствующая достаточно широкому распространению таких систем. По-
этому во многих случаях предпочтение отдается ИК-биноклям и системам наблюдения,
очкам ночного видения и другим наголовным (нашлемным) ИКС (см. ранее).
Инфракрасные системы позволяют также всесторонне проверять транспортные сред-
ства в ночных условиях и в условиях плохой видимости. Имеются сообщения об успеш-
ном применении ИКС для этих целей при контроле военной техники. Матрица охлаж-
даемых до 77 К фотоприемников из InSb форматом 512x488 пикселов работает в этих
ИКС в спектральных диапазонах 2,2...5,0 и 3,3...4,1 мкм и обеспечивает температурное
разрешение (эквивалентную шуму разность температур) в 0,02 К в угловом поле 15°.
Дистанционный контроль транспортных потоков может осуществляться с помощью
камеры Jade UC, разработанной компанией «CEDIP Infrared Systems» (табл. 14.1 и 14.2,
№25).
14.4. ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
ПРАВООХРАНИТЕЛЬНЫМИ И ДРУГИМИ ОРГАНАМИ И
СЛУЖБАМИ
С 80-х годов службы береговой охраны и контроля за распространением наркотиков
США стали применять ИКС. С начала 90-х годов вертолеты этих служб оборудуются
ОЭС, работающими в двух спектральных диапазонах (0,4... 1,1 и 8... 12 мкм) и имею-
щими в своем составе лазерные дальномеры. Угловое поле ОЭС может изменяться в
диапазоне 0,4... 1,1 мкм от 4 до 40°, а в диапазоне 8... 12 мкм оно равно 5...8° либо 3°.
Соответственно угловое разрешение в первом диапазоне составляет 0,3...0,4 угл.мин, а
во втором - 12...20 угл.с. Мощность излучения в импульсе лазерных дальномеров, ра-
ботающих на длине волны 1,06 мкм, около 20 мДж, длительность импульсов 12 нс при
частоте их повторения 1 Гц. Угол расходимости лазерного пучка равен 0,7 угл.мин.
Масса таких систем составляла от 11 до 19 кг. Стоимость отдельных модулей была
равна: 3...15 тыс. долл, (модуль видимого и ближнего ИК-канала), 100... 150 тыс. долл,
(длинноволновый ИК-канал) и 1,6...5,0 тыс. долл, (лазерный дальномер). Учитывая ряд
398
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
недостатков этих систем, в частности опасность излучения с длиной волны 1,06 мкм
для глаза, большие габариты и массу, а главное высокую стоимость, уже с середины 90-х
годов наметился переход к облегченным портативным и менее дорогим системам, часть
из которых представлена в табл. 14.1 и 14.2.
На малых вертолетах правоохранительных органов США используются ИКС, смон-
тированные внутри стабилизированных гироскопических шаровых устройств диамет-
ром около 250 мм. Наиболее распространены ИКС с ФПУ на базе InSb, работающие в
спектральном диапазоне 3...5 мкм.
Фирма «Indigo Systems» (США) предлагает правоохранительным органам двухка-
нальный (телевизионный и тепловизионный каналы) прибор Thermocorder массой око-
ло 1 кг и энергопотреблением менее 4 Вт. Тепловизионный канал имеет неохлаждае-
мую микроболометрическую матрицу формата 120x160 и объектив с угловым полем
30x40°. Возможно использование более длиннофокусных объективов, что приводит к
сужению поля до 19x25 и 11x15°. Эквивалентная шуму разность температур ФПУ око-
ло 100 мК, что достаточно для обнаружения мокрых следов; брошенного в траву или
кусты оружия; нарушений поверхности грунта, произведенных несколько дней назад;
следов припарковки автомобиля через несколько часов и т.п.
По заказу командования ракетно-космических войск США компания «Boeing»
разработала малогабаритную ИКС на микроболометрической матрице формата
320x240 пикселов размером 51 мкм [73]. Камера с германиевым объективом (/"' = 25 мм,
К = 1) имеет АТр « 50 мК. Масса камеры менее 500 г, что позволяет использовать ее в
нашлемном варианте. Предполагается усовершенствовать ФПУ и уменьшить размер
пиксела до 25 мкм.
Испытания показали, что диапазон спектральной чувствительности ФПУ простира-
ется до длин волн 25 мкм и более. Это позволяет рекомендовать систему для обнару-
жения и наблюдения таких слабо нагретых объектов, которые «недоступны» ИКС на
охлаждаемых KPT-матрицах, в частности оружия, спрятанного под одеждой, что очень
интересует пограничные и правоохранительные службы. Как и другие малогабаритные
ИКС на неохлаждаемых болометрических ФПУ, эта ИКС может с успехом использо-
ваться не только в военных целях, но и в большом числе гражданских (коммерческих)
применений.
Для пограничного патрулирования, охраны зданий и сооружений, полицейского на-
блюдения, поисковых и спасательных операций, пресечения перевозки наркотиков, об-
наружения террористической деятельности, а также для мониторинга окружающей
среды фирма «FLIR Systems» предлагает ИКС дальнего радиуса действия ThermoVision
2000, устанавливаемую на специальную платформу. Оптическая система имеет три уг-
ловых поля: 25x19°, 6,0x4,5° и 0,99x0,74°. В ИКС используется ФКЯ-охлаждаемый
МПИ формата 320x240 пикселов, работающий в диапазоне 8...9 мкм с температурным
разрешением 0,03 °C при частоте кадров 50/60 Гц. Дальность обнаружения цели типа
танка НАТО STANAG 4349 составляет 17 км. Система потребляет мощность 20 Вт,
имеет массу 18 кг и габариты 503x312x267 мм. Выход на режим охлаждения по циклу
Стирлинга не превышает 6 мин.
14.4. ИКС, используемые правоохранительными и другими органами 3 99
Для оснащения постов пограничного контроля ОАО «Красногорский завод им.
С.А. Зверева» и ОАО «ЦНИИ Циклон» был разработан автоматизированный комплекс
«ЗЕНИТ-БАРЬЕР-ТП». Комплекс базируется на ИКС с микроболометром формата
320x240 и обеспечивает автоматизированную обработку видеоизображений с 12 по-
стов. При обнаружении объекта (человека) с возможными признаками атипичной
пневмонии, т.е. наблюдаемой поверхности тела с повышенной температурой, подается
сигнал тревоги.
Для охранных систем, предназначенных для обнаружения и идентификации апри-
орно известных объектов (людей, животных) в небольших помещениях, могут исполь-
зоваться ИКС с МПИ небольшого формата. В [189] описывается такая ИКС низкого
разрешения на базе дешевого неохлаждаемого МПИ, работающего в диапазоне
6... 14 мкм. Авторы приводят простую методику расчета основных геометрооптических
параметров системы, предназначенной для обнаружения и идентификации людей внут-
ри помещения на расстояниях до 15 м. Угловое поле объектива равно 50°, фокусное
расстояние - 6 мм. Общий размер чувствительного слоя МПИ формата 64x64 составля-
ет 5,6х5,6 мм. Система крепится на высоте 2 м, угол наклона оптической оси объекти-
ва, смотрящего вниз, 25°. При частоте кадров 30 Гц, эквивалентной шумовой полосе
частот 62 кГц, D = 5,5-10-8 Вт-1-смТц1/2 значение АГП составляет 0,5°С, что вполне дос-
таточно для решения представленной задачи.
Журнал «Nature» от 2 января 2002 г. (с. 35) сообщил о разработке ИКС высокого
разрешения, которая способна обнаруживать мгновенный прилив крови к области во-
круг глаз, возникающий, когда человек говорит неправду, поскольку в этом случае
температура повышается на несколько градусов. Хотя такой эффект сугубо индивидуа-
лен, испытания этого своеобразного детектора лжи показали, что подобное устройство
обеспечивает гораздо большее быстродействие, нежели стандартные полиграфы, и не-
сколько большую вероятность обнаружения попытки обмана.
В криминалистике с помощью ИКС проводят экспертизу документов, испорченных
краской, копотью, плесенью, определяют подлинность произведений живописи по
скрытому под слоем краски изображению. В [222] описываются эксперименты по рас-
познаванию отпечатков пальцев с помощью ИКС на базе УО2-термистора формата
128x128 пикселов с шагом 52 мкм, что грубо соответствует требуемому ФБР США раз-
решению 500 точек на дюйм. Термоэлектрический холодильник стабилизирует рабо-
чую температуру системы, специальная защитная крышка предохраняет схему считы-
вания от непосредственного контакта с пальцами обследуемого. Эксперимент подтвер-
дил возможность получения достаточно четких отпечатков с высоким контрастом и,
что очень важно, в реальном масштабе времени.
Одно из наиболее перспективных применений ИКС - обнаружение очагов пожаров
и пожароопасных зон. В настоящее время существует довольно много ИКС «смотряще-
го» типа, успешно решающих эту задачу и построенных на базе пироэлектрических
приемников, ферроэлектрических и резистивных микроболометров (см. табл. 14.1 и
14.2). Бесконтактный метод работы таких ИКС обеспечивает контроль за удаленными и
труднодоступными объектами и зонами, а также безопасность персонала. Эти системы
400 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
могут функционировать в условиях задымления, обладают большим быстродействием,
нежели контактные датчики. С их помощью можно быстро определить наличие и раз-
меры зон опасного нагрева зданий, инженерных сооружений, оборудования и т.п. Осо-
бенности условий работы ИКС, используемых при тушении пожаров, для обнаружения
и эвакуации пострадавших, предъявляют ряд специфических требований: максималь-
ные простота конструкции системы и порядок работы с ней, меньшая масса, автоном-
ный источник питания, устойчивость к разнообразным внешним воздействиям и т.п.
Нужно учитывать, что зачастую динамический диапазон сигналов, с которыми прихо-
диться работать ИКС, очень велик, поскольку, например, желательно использовать од-
ну систему и для обнаружения очагов возгорания, т.е. для приема малых потоков излу-
чения, и для распознавания малых разностей температур на очень мощном фоне излу-
чения горящих объектов.
Такие системы, например модули SIM 200 фирмой «Lockheed Martin IRS», выпус-
каются в ручном или наголовном исполнении. Малые масса и габариты, незначитель-
ная потребляемая мощность и большой срок службы батарей питания придают им ав-
тономность, а верхний предел рабочих температур (до +160°С) позволяет работать в
сложных эксплуатационных условиях. Для ряда применений очень важна возможность
передачи высококачественного изображения в телевизионном стандарте с частотой 60 Гц
и в диапазоне до 120 дБ.
В [182] описываются малогабаритные, облегченные и надежные ИК-камеры для
противопожарных служб. Как утверждается в [182], это - самые дешевые системы та-
кого назначения на базе микроболометров аморфного кремния. Формат микроболомет-
ра- 160x128 пикселов размером 46,5 мкм. Спектральный рабочий диапазон 7... 14 мкм.
В микроболометрическом ФПУ применено термоэлектрическое охлаждение. При объ-
ективе с К = 1,025 значение ЛГП <100 мК. Динамический диапазон регистрируемых
температур превышает 80°С. Камеры не имеют движущихся узлов (затворов, обтюра-
торов) и готовы к работе через 15 с после включения. Угловые поля сменных объекти-
вов, состоящих из германиевых линз, 13,6x18,2° при фокусном расстоянии 25 мм и
34,3x48,0° при фокусном расстоянии 9 мм. Угловое разрешение соответственно состав-
ляет 2 и 5,5 мрад. Диапазон фокусировки камер - от 1 м до бесконечности. Помимо вы-
хода на ИКС-дисплей формата 320х240, камера имеет стандартные выходы RS-170 и
RS-485. Напряжение питания в автономном режиме равно 3 В; камеры в течение
2,5...3,5 ч могут работать от малогабаритных элементов питания серии АА. Потреб-
ляемая мощность при использовании дисплея не превышает 800 мВт, а при его отсут-
ствии и использовании цифрового выхода с разрядностью 8 бит — 380 мВт.
Такие камеры применяют не только при борьбе с пожарами, но и для их предотвра-
щения путем дистанционного контроля пожароопасных ситуаций и сооружений и вы-
явления нагретых сверх допустимых пределов зон. Как и другие ИКС, такие камеры
могут быть полезны в охранных комплексах, медицинских установках, транспортных
системах, промышленных системах технического зрения и др. [169, 182].
Достаточно показателен созданный фирмой «Cairns Advanced Technologies» тепло-
визионный прибор Cairns VIPER, работающий в диапазоне 8... 12 мкм и заключенный в
14.5. ИКС в экологическом мониторинге
401
легкий, ударопрочный и влагостойкий корпус. Время непрерывной работы прибора
1,5 ч. Функции приемника выполняет микроболометр формата 320><240 с Л7’, = 70 мК.
Прибор дополнен системой передачи видеоизображения по радиоканалу и устройством
записи изображений.
Фирма «Bullard» выпускает индивидуальный прибор для пожарных Bullard Thermal
Imager (рис. 14.8 на вклейке), имеющий термостойкий, влагозащищенный и ударопроч-
ный корпус. Неохлаждаемый диэлектрический микроболометр на базе BST формата
320x240 работает в спектральном диапазоне 8... 14 мкм при А7,= 50 мК. Объектив при-
бора имеет f = 18 мм, диафрагменное число К = 1, угловое поле 55°. Время непрерыв-
ной работы 1,5... 1,75 ч. Прибор снабжен интерфейсом RS-170 и имеет ЖК-дисплей с
размером диагонали около 100 мм.
Группа компаний «ISC Thermal Systems Group» представляет на рынке пожарной и
спасательной техники прибор К-901 Talisman Plus, имеющий тепловизионный канал,
работающий в диапазоне 8... 14 мкм и построенный на микроболометре формата
160x120 компании «Raytheon» с А 7’, <100 мК.
Портативная тепловизионная камера «Талисман» на базе пировидикона, функцио-
нирующая в диапазоне 8... 14 мкм, рекомендуется разработчиком (ЦНИИ «Электрон»)
для систем поиска и охраны в ночное время и в условиях плохой видимости, для тамо-
женного досмотра, обнаружения пожаров на ранних стадиях возгорания, а также для
вождения судов и наземных транспортных средств. Камера имеет полностью автомати-
зированное управление и автономное питание, а также канал изображения в видимом
диапазоне, который обеспечивает идентификацию объектов и ориентирование на мест-
ности. Габариты камеры 310х 156х 115 мм, масса с аккумулятором 2,7 кг. Она разреша-
ет 220 ТВЛ по вертикали и 150 по горизонтали при угловом поле 40° и фокусном рас-
стоянии объектива 18 мм. Температурное разрешение ДТП = 100 мК. Длительность ра-
боты от аккумулятора составляет 1 ч.
В [133] описываются одно- и двухдиапазонные (8...9 и 14...15 мкм) матрицы на
ФКЯ формата 256x256, охлаждаемые до 70 К. Портативные камеры на базе этих мат-
риц с успехом использовались для обнаружения очагов пожаров с борта вертолета в
условиях задымления.
14.5. ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ В ЭКОЛОГИЧЕСКОМ
ДИСТАНЦИОННОМ МОНИТОРИНГЕ
В настоящее время контроль окружающей среды в обычных и чрезвычайных ситуа-
циях приобрел огромное значение. В ряде стран уже созданы и функционируют назем-
ные, морские, аэрокосмические системы экологического мониторинга. Наибольшая
информативность при работе таких систем обеспечивается оптико-электронными сис-
темами. К числу основных направлений использования этих систем относятся: обнару-
жение очагов лесных пожаров, наводнений, ледовых заторов, загрязнений воздушной
среды и подстилающей земной и водной поверхности, аварий на нефте- газо- и других
402 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
трубопроводах и др. Высокая чувствительность, хорошее спектральное и пространст-
венное разрешение современных ИКС позволяют обнаруживать эти крайне нежела-
тельные и опасные для экосистемы явления уже на стадии их возникновения.
Будущее систем дистанционного зондирования, осуществляемого с помощью спек-
трорадиометров, устанавливаемых на борту самолетов и космических летательных ап-
паратов, связывается с увеличением геометрооптического и спектрального разрешения
ИКС «смотрящего» типа, а также с уменьшением их стоимости [104]. Такие системы
должны быть двух- и многодиапазонными (многоспектральными). При очень малых
контрастах в длинноволновом ИК-диапазоне (8... 14 мкм) степень корреляции сигналов
от объектов и фонов естественного происхождения, получаемых в отдельных узких
участках этого диапазона, велика и достаточна для обнаружения и распознавания их
излучения. Так, на длинах волн 8,67 и 9,23 мкм коэффициент корреляции излучений от
деревьев превышает 0,99988 [104].
Принцип работы видеоспектрометра, заключающийся в разложении по спектру (по
оптическим длинам волн А.) потоков, приходящих от малых по размеру элементов на-
блюдаемой сцены, достаточно просто реализуется при использовании матричного
МПИ. Изображение, разложенное вдоль столбцов (или строк) элементов МПИ в спектр
с помощью диспергирующих оптических элементов (призм, дифракционных решеток и
др.), трансформируется в сигналы, амплитуды которых соответствуют интенсивности
отдельных спектральных составляющих. Сигналы от элементов в ортогональном на-
правлении (в строках МПИ) адекватны распределению яркости изображения вдоль
строки. Сканируя сцену в направлении столбцов, можно получить картину распределе-
ния спектральных плотностей яркости по полю обзора. Поскольку для достижения вы-
сокого пространственного и спектрального разрешения размеры элементов МПИ
должны быть малыми, невелики и сигналы, снимаемые с них. Поэтому часто в таких
системах используется способ накопления сигналов (временной задержки и интегриро-
вания). При этом заметно повышается отношение сигнал-шум.
В ряде публикаций [41, 42, 125, 209 и др.] приводятся примеры успешного исполь-
зования МПИ в ОЭС дистанционного зондирования. Так, в [209] описывается система,
позволяющая различать объекты естественного и искусственного происхождения в
диапазоне 0,4...0,9 мкм с помощью ФПУ формата 256*256, построенного на базе крем-
ниевых фотоприемников. Система имеет 64 узкополосных спектральных поддиапазона.
Динамический диапазон сигналов равен 8 бит; частота кадров может достигать 955 Гц.
Диспергирующим элементом является поворачивающаяся призма. Потребляемая мощ-
ность 20 Вт, масса 1,8...2,7 кг в зависимости от используемой оптической системы.
В [125] подробно рассмотрены принципы построения оптических схем видеоспек-
трометров, работающих в диапазоне 1...12 мкм с диспергирующим элементом - быст-
родействующим фурье-интерферометром и МПИ форматов 512*512 и 1024*1024.
По программе гиперспектрального обнаружения минных полей (Hyperspectral Mine
Detection Program) Армии США в Гавайском университете был разработан бортовой
многоканальный видеоспектрометр Airborne Hyperspectral Imager (AHI), который, как по-
казали наземные и летные испытания, может успешно использоваться в геологических
14.6. Применение ИКС в промышленности и строительстве
403
исследованиях и экологическом мониторинге [193]. Прибор прекрасно зарекомендо-
вал себя при изучении экосистемы коралловых рифов и прибрежных вод Гавайского
архипелага.
Видеоспектрометр имеет визуальный канал, состоящий из трех цветных ПЗС-камер
высокого разрешения, и ИК-канал, работающий в диапазоне 7... 12 мкм. Прибор позво-
ляет получать одновременно информацию в 256 узких спектральных поддиапазонах.
При испытаниях для увеличения отношения сигнал-шум путем накопления сигналов с
8 пикселов число спектральных поддиапазонов было уменьшено до 32. В ИК-канале
применены объектив с фокусным расстоянием 111 мм и диаметром входного зрачка
35 мм, зеркальный спектрограф и ФПУ на базе КРТ (модель ТСМ2250 компании
«Rockwell») формата 256x256. В сосуде Дьюара помещают охлаждаемые до 56 К диа-
фрагму, МПИ и несколько электронных схем. Благодаря системе коррекции неодно-
родности и подавления помех остаточная неоднородность составляет всего 0,08%. При
времени накопления 3 мс эквивалентная шуму разность температур менее 100 мК. Ма-
лое время накопления выбрано для предотвращения насыщения ячеек схемы считыва-
ния. Угловое разрешение прибора составляет 0,5x1,5 мрад.
В [46] рассматриваются состав и требования к параметрам бортового унифициро-
ванного оптико-электронного измерительного комплекса, работающего в атмосферных
ИК-окнах прозрачности атмосферы. Его основу могут составлять ИКС «смотрящего»
типа на матрицах ПЗИ или ЭОП для работы в диапазоне 0,8... 1,5 мкм, МПИ и КРТ с
охлаждением до 77 К - в диапазоне 3...5 мкм и микроболометрические МПИ - в диапа-
зоне 8... 14 мкм. Общая масса комплекса не превышает 10 кг, а потребляемая мощность -
500 Вт.
К настоящему времени в нашей стране созданы лишь отдельные узлы такого ком-
плекса или его прообразы на базе ИКС сканирующего типа. В качестве примера можно
упомянуть сканирующий тепловизор «Терма-2», работающий в спектральных диапазо-
нах 1,0...1,2; 3,0...5,0 и 8,0...13,5 мкм [59]. Тепловизор устанавливается на вертолете
Ми-8Т и обеспечивает просмотр угла 90° с 1024 элементами разложения по строке при
мгновенном угловом поле 5,3 (1,6) мрад. В диапазоне 8,0...13,5 мкм пороговая темпера-
турная чувствительность составляет 0,08 К. Получаемые изображения в течение 1,5 ч
записываются на жестких дисках. Экспериментальные полеты на высоте Юм над зем-
лей со скоростью 80 км/ч показали, что несанкционированные раскопки и врезки в ма-
гистральные нефтепроводы наиболее эффективно обнаруживаются в диапазоне
8,0... 13,5 мкм.
14.6. ПРИМЕНЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
«СМОТРЯЩЕГО» ТИПА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И
СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Как уже неоднократно отмечалось, ИКС «смотрящего» типа, разработанные перво-
начально как системы военного назначения, успешно используются или могут быть ис-
404 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
пользованы и в сугубо гражданских (коммерческих) целях. В наибольшей степени это
относится к системам наблюдения, разведки и охраны (см. §14.2).
Круг применений ИКС в промышленном контроле и технической диагностике весь-
ма широк: наблюдения за состоянием энергетического оборудования; контроль темпе-
ратуры в электрических сетях, щитовых устройствах и элементах конструкций; диагно-
стика печатных плат; автоматизация теплоснабжения; контроль тепло- и водопровод-
ных сетей; контроль хода металлургических и химических процессов и др. В большин-
стве случаев такие ИКС представляют собой портативные облегченные камеры: Laird
ЗА фирмы «Nikon»; Radiometric 500 DIGITAL фирмы «Raytheon»; ImagIR фирмы
«Santa Barbara Focalplane»; LEOPARD фирмы «NVT» и другие, указанные в табл. 14.1 и
14.2. Многие из них выполняются в ручном варианте, хотя имеются и такие, которые
устанавливаются на штативы или специальные подставки (рис. 14.9-14.12 на вклейке).
Их основой являются как неохлаждаемые микроболометры (например, в системах
Radiometric 500 DIGITAL и LEOPARD), так и фотонные приемники (например, в сис-
темах ImagIR). Многие ИКС снабжены комплектами сменных объективов. Как прави-
ло, системы для промышленного контроля и технической диагностики работают в ре-
альном масштабе времени.
Обычно ИКС, предназначенные для радиометрии и промышленного контроля, име-
ют цветные дисплеи. Наряду с выходом на систему отображения, входящую в состав
ИКС (обычно это ЖК-дисплей), в таких ИКС предусмотрен вывод информации на TV-
монитор (часто в псевдоцветах) и на персональный компьютер. Так, ручная портатив-
ная ИКС Radiometric 500 DIGITAL позволяет накапливать свыше 150 изображений
(кадров) и записывать их на флэш-карты, а камеры ТН7102МХ и TH7102WT японской
фирмы «NEC» способны запоминать и воспроизводить до 832 кадров.
Как правило, такие ИКС являются многофункциональными, т.е. системами много-
целевого назначения (см. табл. 14.1 и 14.2). Например, компания «Nikon» рекомендует
камеры LAIRD ЗА и LAIRD-S270 для промышленного контроля и диагностики, нераз-
рушающего контроля строительных конструкций, для систем охраны и наблюдения,
для экологического мониторинга окружающей среды, для медицинских и других науч-
ных исследований и т.д. Это же можно сказать и о ручной камере LEOPARD, постро-
енной на базе типового модуля — неохлаждаемого резистивного микроболометра и
имеющей встроенный цветной ЖК-дисплей со шкалой «температура - цвет». Помимо
контроля высоковольтных линий электропередач, мощных трансформаторов, другого
энергетического и химического оборудования эта камера с успехом может быть ис-
пользована и в других отраслях промышленности и строительства.
Портативные тепловизоры серии «Сыч» (рис. 14.13 на вклейке и табл. 14.12), разра-
ботанные ЦНИИ «Циклон» (Москва), предназначены для круглосуточного поиска и
наблюдения объектов в простых и сложных метеоусловиях, а также при запылении и
задымлении во время поисково-спасательных работ, выявления очагов возгорания,
контроля заданной территории. Они могут также использоваться для контроля линий
электропередач, газо- и продуктопроводов, в коммунальном хозяйстве для обнаруже-
ния утечек тепла из зданий и сооружений.
14.7. ИКС в медицине, биологии, астрономии и других отраслях науки
405
Таблица 14.12
Основные технические характеристики тепловизоров серии «Сыч»
Марка тепловизора Сыч 1 Сыч 1а Сыч 2 Сыч 3
Тип ФПУ Пировидикон Микроболометр
Фокусное расстояние объектива, мм 22 45 45 100
Угловое поле, град 40 20 26,7 12
Минимальная разре- шаемая разность температур, мК 250 250 100 100
Тип системы отобра- жения ТВ-дисплей +окуляр ТВ-дисплей +окуляр ЭК-экран ТВ-дисплей +окуляр
Масса, кг 3,2 3,8 2,1 2,8
Габариты, мм 144x294x185 144x294x185 145x110x115 145x110x115
Потребляемая мощ- ность, Вт 10 7 20 15
Примечание. Для всех тепловизоров спектральный диапазон работы 8... 12 мкм; диапа- зон рабочих температур -15...+45°С; напряжение питания 12 В; непрерывное время ра- боты без подзарядки батарей не менее 2 ч.
Другими примерами подобного рода могут служить тепловизоры без систем охлаж-
дения ТН-3 и ТН-4, созданные ЦНИИ «Электрон». Функционируя в спектральных диа-
пазонах 8... 13 (ТН-3) и 8... 14 (ТН-4) мкм, они могут регистрировать температуры в
диапазоне от -30 до +300°С с разрешением 150...200 мК при частоте модуляции 25 Гц.
В тепловизоры встроены аккумуляторы, позволяющие им работать в автономном ре-
жиме 1,5...2 ч в диапазоне окружающих температур О...+4О°С. Приборы предназначе-
ны для диагностики энергонасыщенных объектов, обнаружения зон перегрева, мест
утечек тепла в зданиях и на теплотрассах, а также для поиска разрывов подземных тру-
бопроводов и пустот под бетонными покрытиями.
14.7. ИНФРАКРАСНЫЕ СИСТЕМЫ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА В
МЕДИЦИНЕ, БИОЛОГИИ, АСТРОНОМИИ И ДРУГИХ
ОТРАСЛЯХ НАУКИ
Круг возможных применений рассматриваемых систем весьма обширен и охватыва-
ет различные области медицины, биологии, астрономии и других отраслей науки, хотя
на практике возможности ИКС здесь реализованы сегодня далеко не в полной мере.
Приведем лишь несколько примеров.
В медицине с помощью ИКС исследуют кожные покровы и подкожные кровеносные
сосуды, а также диагностируют новообразования, которые в ближнем ИК-диапазоне
406
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
имеют отражательную, а в средне- и длинноволновом - излучательную способности,
отличающиеся от подобных характеристик здоровых тканей. Так, описанные в п. 7.4.2
разработки ЦНИИ «Электрон» планируются для широкого применения в разнообраз-
ных медико-биологических исследованиях [263].
Фирма «OmniCorder Technologies Inc.» (США) создала BioScan System - установку
для термографии, в которой используется ФКЯ-матрица формата 256x256 с чувстви-
тельностью лучше 30 мК при частоте кадров 30 Гц [133]. Установка позволяет после-
довательно во времени получать сотни изображений какого-либо органа (ткани), обра-
батываемые с помощью алгоритма быстрого фурье-преобразования для определения
температурного рельефа в выбранном участке сцены и динамики его изменения. Чтобы
избежать влияния отраженного излучения, создаваемого окружающей средой (бликов),
и других помех, рабочий спектральный диапазон установки должен располагаться в об-
ласти длин волн, больших 8 мкм. Поскольку медицинская диагностика часто базирует-
ся на наблюдении потоков крови в микрокапиллярах, установка должна работать в ре-
жиме реального времени. Исследования показали, что высокую чувствительность, вы-
сокое геометрооптическое разрешение и хорошую стабильность работы лучше всего
обеспечивает ФКЯ-матрица. Установка с успехом использовалась для диагностики
опухолей в легких, ряда онкологических и других заболеваний, а также для контроля
эффективности их лечения.
Специализированная ИКС для медицинских исследований MedVision (рис. 14.14 на
вклейке) входит в состав установки InfraRed Eye, помещенной на подвижное основа-
ние. Система построена на базе охлаждаемого PtSi-МПИ формата 320x240 пикселов
размером 30 мкм и имеет Д7„ < 70 мК. Объектив с фокусным расстоянием 27,5 мм
(К= 1,8) обеспечивает угловое поле 16,5x12,4°. На экране TV-монитора, дублирующе-
го дисплей ИКС, создаются цветное изображение и шкала псевдоцветов, соответст-
вующих различным температурам. Входящий в комплект установки персональный
компьютер может содержать в своей памяти различные сведения, в том числе историю
болезни пациента. Такая система помогает точно определять положение точек для иг-
лоукалывания, лимфатических узлов и других участков тела, интересных с позиций как
традиционной медицины, так и восточной.
Бесконтактная система проведения диагностики SARS, предлагаемая фирмой «Пер-
гам» (Россия), строится на базе ИКС TermoVision А20, TermaCAM Е2 и TermaCAM
Р60, производимых компанией « FLIR Systems». С помощью этой системы за один день
можно обследовать более 5000 человек, выявляя инфицированных на предклиническом
этапе, когда человек не ощущает никаких симптомов болезни, но уже является носите-
лем вируса SARS. Параметры указанных ИКС приведены в табл. 14.1 и 14.2. (№58-60).
В [222] описано применение пироэлектрических и микроболометрических МПИ для
измерения параметров инфракрасных СОг-лазеров. Микроболометр на VO2 формата
128x128 с размером пиксела 50 мкм имел нижний предел чувствительности порядка
1,5104В/Вт и D = 108 Вт-1-смТц1/2. Исследовались возможности указанных МПИ с
учетом отношения сигнал (напряжение)-мощность, напряжения насыщения, средних
квадратических и пиковых значений шумов, эквивалентных шуму потоков, динамиче-
14.7. ИКС в медицине, биологии, астрономии и других отраслях науки 407
ского диапазона сигнала, порога разрушения. Основные параметры измерительной ап-
паратуры на базе пирикона и на базе болометра для полосы частот 3 МГц не слишком
сильно отличались.
Кроме того, в [222] приводятся результаты сравнения расчетных и эксперименталь-
ных зависимостей сигнала с микроболометра от температуры облучающего его черного
тела. Показано, что микроболометр как измеритель температуры обеспечивает разре-
шение в 1 К при измеряемых температурах порядка 273 К и в 0,5 К при температурах
черного тела порядка 353 К.
Инфракрасные системы, включаемые в состав астрономической и астрофизической
аппаратуры как наземного, так и космического базирования, уже подтвердили свою вы-
сокую эффективность. Так, первые попытки использования ИКС на базе ФКЯ-матриц
формата 256x256, работающих в спектральном диапазоне 8...9 мкм при температуре ох-
лаждения 35 К, в составе 5-метрового телескопа Маунт-Паломар (США) показали воз-
можность наблюдения с ее помощью астрономических объектов, медленно перемещаю-
щихся в угловом поле 2x2'. Почти полное отсутствие у ФКЯ-матрицы 1// -шума в диапа-
зоне частот до 30 МГц позволило заметно увеличить время наблюдений за пылевыми
низкотемпературными (около 300 К) облаками, окружающими некоторые небесные тела.
Для астрономических исследований в области спектра 0,9...2,5 мкм научный центр
компании «Rockwell» разработал уникальную крупноформатную (2048х2048) КРТ-
матрицу с размером пиксела 18 мкм и общим размером менее 2x2 см [99]. Матрица со-
стоит из четырех независимых квадрантов 1024x1024, объединенных в общую конст-
рукцию с погрешностью позиционирования менее 0,05 мкм. Сигналы снимаются с по-
мощью девяти КМОП-схем. Два источника питания создают напряжение 5 В. Система
работает при температуре охлаждения 78 К; темновой ток составляет менее 0,01 элек-
трона в секунду. Матрица соединена с 12 мультиплексорами. Среднее значение кванто-
вой эффективности почти всех 4,2’106 пикселов составляет 58%. Зарядовая емкость
ячеек схемы считывания более 105 электронов, динамический диапазон сигналов бли-
зок к 104, шум считывания 3...20 электронов.
В программе создания новых больших телескопов космического базирования, раз-
работанной Национальным агенством по космическим исследованиям США (NASA) на
2002-2015 гг., значительное внимание уделяется разработке крупноформатных мат-
ричных ФПУ [80]. Как отмечалось в п. 7.4.1, для диапазона 0,9...2,5 мкм уже создано
ФПУ формата 2048х2048. Для проекта NGST, который должен завершиться в 2007 г.
созданием телескопа с зеркалом размером 7 м, планируется разработать матричное
ФПУ на базе КРТ формата около 8000х8000, предназначенное для работы в спектраль-
ном диапазоне 50... 150 мкм. Предусматривается размещение телескопа на больших
высотах и в космосе (на борту самолета, в стратостате, на космической платформе),
чтобы избежать поглощения длинноволнового ИК-излучения нижними слоями земной
атмосферы. Телескоп NGST поможет изучать молекулярные облака, галактические фо-
ны, космическую пыль и поверхности планет с температурой 30... 100 К.
На высоких орбитах ФПУ и вся конструкция крупногабаритных телескопов будут
глубоко охлаждаться до 35...40 К путем радиационного (пассивного) теплообмена с
408 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
окружающей средой. Для телескопов меньших размеров, например SIRTF с зеркалом
диаметром 0,85 м, работающего в диапазоне 3...180 мкм, предполагается использовать
активную систему охлаждения, обеспечивающую температуру порядка 5,5 К [80]. По-
мимо глубокого охлаждения в космических телескопах нового поколения важной про-
блемой остается защита от излучения фонов, источниками которых могут быть косми-
ческий фон (3 К), зодиакальное свечение, рассеянное галактическое излучение и собст-
венное излучение самой конструкции телескопа. Последнее является доминирующим,
если температура поверхностей конструкции превышает 15 К.
Системы на ФКЯ-матрицах успешно использовались при наблюдении вулканов (в
спектральном диапазоне 3...5 мкм) с их широким динамическим диапазоном темпера-
тур (300... 1000°С), что недоступно большинству ИКС на других приемниках излучения
[133]. На изображениях, полученных с помощью ИКС на ФКЯ-матрице формата
256x256, четко выделяются потоки лавы, не видимые невооруженному глазу.
Компания «SOFRADIR» приступила к разработке МПИ на базе КРТ, чувствитель-
ного в спектральном диапазоне 1,0...2,5 мкм [104]. Приемник форматом 1ОООх256
пикселов размером 30 мкм должен иметь высокое спектральное разрешение. Ожида-
ется, что динамический диапазон выходных сигналов составит 2 В, а емкость ячеек
накопления схемы считывания - до 1,6-106 электронов при частоте выходного сигна-
ла до 10 МГц. Разрабатываемая на базе этого приемника ИКС предназначается для
широкого ряда применений, в том числе для мониторинга растительности и сельско-
хозяйственных объектов (посевов), спектральных космических исследований и др.
14.8. ОБЩИЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ИКС
«СМОТРЯЩЕГО» ТИПА
Проанализировав большое число публикаций, в которых прогнозируется дальней-
шее совершенствование ИКС «смотрящего» типа (ИКС третьего поколения), можно от-
метить основные тенденции их развития на ближайшее десятилетие. Поскольку в гл. 8 и
11 перспективы развития систем на базе ЭОП и передающих телевизионных трубок
уже рассматривались, остановимся на системах на основе твердотельных матричных
МПИ. Тенденции их развития можно условно разделить на две большие группы.
Первую составляют направления совершенствования конструкции и общих принци-
пов построения и проектирования ИКС третьего поколения, а именно:
- повышение геометрооптического, временного и энергетического (температурного)
разрешения;
- совершенствование методов обработки сигналов в ФПУ и электронном тракте
системы;
- создание двух- и многодиапазонных ИКС, т.е. работающих в двух и более спек-
тральных диапазонах;
- модульный принцип построения системы, унификация ее основных узлов;
- уменьшение габаритов, массы и энергопотребления;
14.8. Общие тенденции развития ИКС
409
- создание многофункциональных по своему назначению систем;
- комплексирование (интеграция) ИКС с другими датчиками и системами, решаю-
щими поставленную задачу, общую, например, с радиоэлектронными, акустическими,
сейсмическими и др.; развитие систем, работающих активным методом, например ла-
зерных приемопередающих систем, использующих в качестве приемной части «смот-
рящую» ИКС;
— широкое использование методов компьютерного моделирования в процессе разра-
ботки, испытаний и исследований ИКС;
- снижение стоимости ИКС «смотрящего» типа.
Реализация этих направлений и принципов самым тесным образом связана с совер-
шенствованием элементной базы, определяющим вторую группу тенденций и перспек-
тив развития ИКС третьего поколения.
Рассмотрим более подробно перечисленные факторы, подтвердив некоторыми кон-
кретными примерами.
Для увеличения вероятностей обнаружения и распознавания различных объектов на
фоне помех и шумов и точности измерений параметров этих объектов или слежения за
ними требуется повысить все виды разрешения, характеризующего качество ИКС (гео-
метрооптического, энергетического, температурного, временного) и зависящего прежде
всего от параметров оптической системы и ФПУ. Для многих ИКС повышаются требо-
вания к дальности их действия, что тесно связано с энергетической и температурной
чувствительностью, а в сочетании с требованиями к пространственному разрешению -
с размерами угловых полей и апертур объектива, форматом, размерами пикселов и дру-
гими параметрами ФПУ (см. §4.3 и 7.7).
К числу требований к обработке сигналов в электронном тракте многих современ-
ных ИКС следует отнести сохранение хорошего энергетического (температурного) раз-
решения всей системы при увеличении динамического диапазона входных сигналов
(потоков, облученностей); использование быстродействующей системы коррекции не-
однородностей; выравнивание уровня сигналов по угловому полю для компенсации
спада освещенности от центра поля к краю и ряд других.
В связи с непрестанно повышающимся качеством МПИ и приближением их пара-
метров к предельно достижимым значениям становится особенно важным улучшение
параметров и характеристик схем считывания сигналов с элементов МПИ. При по-
вышении форматов ФПУ, т.е. при использовании ФПУ, состоящих из миллионов
пикселов, и при сохранении частоты кадров в десятки герц или при увеличении ее до
сотен герц, что требуется в некоторых практических приложениях, необходимо соот-
ветственно увеличивать частоту опроса отдельных элементов МПИ (частоту выбор-
ки) и ширину полосы частот схем считывания. В то же время скорость передачи элек-
тронных изображений, создаваемых ФПУ, в цифровой процессор ограничивается по-
лосой пропускания частот аналогового интерфейса и АЦП, располагаемого между
ФПУ и этим процессором. Один из путей разрешения этого противоречия сводится к
переносу первичной обработки информации на уровень пиксела, т.е. внутрь ячейки
ФПУ, как это происходит в биологических системах обработки информации.
410 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Многомерность оптических сигналов и возможность принимать и обрабатывать в
реальном масштабе времени огромные объемы информации выдвигают оптико-
электронные и, в частности, ИК-системы на первое место при решении сложных задач
автоматического обнаружения и распознавания сигналов на фоне естественных и орга-
низованных помех. Для эффективного решения таких задач следует создать ИКС, рабо-
тающие одновременно в нескольких спектральных диапазонах (многодиапазонные
ИКС). Это, в свою очередь, требует обеспечения широкого спектрального рабочего
диапазона ФПУ или реализации способов быстрой перестройки их спектральных ха-
рактеристик чувствительности. Приведем весьма характерный пример.
Отделение оптико-электронной и инфракрасной техники исследовательской лабора-
тории Армии США (EO/IR Technology Branch, Army Research Laboratory) вместе с ря-
дом промышленных фирм и университетов активно развивает концепцию создания
многоцелевого комплекса MDSS (Multi-Domain Smart Sensor), в состав которого долж-
ны входить как пассивные, так и активные датчики и системы, служащие для автомати-
ческого обнаружения, распознавания, классификации и идентификации целей в слож-
ных эксплуатационных условиях. Важной частью комплекса станет двухцветовая ИКС
«смотрящего» типа, т.е. система, работающая в двух спектральных диапазонах и обла-
дающая помехоустойчивостью к таким средствам противодействия противника, как
дымовые завесы, ложные цели, световые помехи, вспышки. Программа MDSS поддер-
живает создание крупноформатных ФПУ на базе КРТ и ФКЯ. Уже созданы образцы
ОЭС, функционирующих одновременно по собственному и отраженному излучению
наблюдаемых или контролируемых объектов, причем объемы, массы и энергопотреб-
ление таких систем составляют около 33 см3 (в основном, ЭОП), 100 г (в основном,
микроболометрическая ИКС) и менее 1 Вт, соответственно.
Аналогичная задача возникает в тех случаях, если ИКС предназначены для работы
как со слабо нагретым (Т = 250...320 К), так и с «горячим» (Т > 400 К) объектом, или в
условиях как сухой (задымленной и запыленной), так и влажной (морской, тропиче-
ской) атмосферы, т.е. когда желательно иметь в качестве рабочих спектральные диапа-
зоны 3...5 и 8... 14 мкм.
Предполагается широкое применение многодиапазонных ИКС третьего поколения в
аппаратуре для экологического мониторинга; контроля за производством и распростра-
нением ядерного, биологического и химического оружия массового уничтожения; об-
наружения стартовых позиций и запусков ракет дальнего действия; диагностики ряда
заболеваний, например сахарного диабета; астрономических и астрофизических иссле-
дований и др. [215].
В §14.1-14.7 уже приводилось много примеров успешного использования одной и
той же системы в различных областях науки, техники, народного хозяйства. «Двойные»
технологии сравнительно давно нашли применение в ИК-технике, что позволяет ус-
пешно использовать одни и те же ИКС как в военных, так и в гражданских областях. Во
многом этому способствует модульный принцип построения конструкции ИКС.
Ведущие отечественные и зарубежные фирмы и компании, много лет разрабаты-
вающие ИКС (ЦНИИ «Электрон», «Raytheon IR Operations», «Boeing», «Lockheed-
14.8. Общие тенденции развития ИКС
411
Martin», «FLIR Systems», «Indigo Systems» и др.), создают системы модульного типа
разной степени сложности в зависимости от конкретной области применения ИКС.
Модульный принцип построения ИКС позволяет заметно унифицировать важнейшие
узлы системы (объектив, блок ФПУ, блок электроники, систему охлаждения, дисплей),
упростить условия ее эксплуатации и обслуживания, сократить сроки проектирования и
существенно снизить стоимость разрабатываемых систем и комплексов, что очень важ-
но для широкого внедрения ИКС «смотрящего» типа.
Примеры отдельных модулей и их объединения в единую конструкцию показаны на
рис. 14.15-14.20 на вклейке.
Компания «AEG Infrarot-Module GmbH» (Германия) использовала модульный прин-
цип конструирования при разработке многодиапазонной ИКС, предназначенной для
работы в средне- (3...5 мкм) или длинноволновом (8... 12 мкм) диапазонах ИК-спектра
[91]. Основными модулями этой системы стали:
- ФПУ на базе охлаждаемого KPT-МПИ формата 384x288 (первый опытный образец
ФПУ имел формат 192x192);
- объектив с относительным отверстием порядка 1:2 и фокусным расстоянием
100 мм;
- четырехсекторный вращающийся диск со сменными узкополосными оптическими
фильтрами, выделяющими рабочие спектральные диапазоны (поддиапазоны);
- электронный модуль обработки сигналов, включающий систему контроля и кор-
рекции неоднородности чувствительности отдельных элементов МПИ в каждом из ра-
бочих поддиапазонов;
- блок питания.
Один из секторов диска с фильтрами позволяет калибровать систему и выравнивать
чувствительность в отдельных рабочих поддиапазонах. Вращение диска с частотой 25 Гц
синхронизировано со съемом информации в отдельных спектральных поддиапазонах. Счи-
тывание кадра происходит с частотой 100 Гц. Если заменить фильтры сканирующими оп-
тическими элементами, диск можно использовать для микросканирования.
Система отображения позволяет на одном экране одновременно представлять изобра-
жения, получаемые в отдельных спектральных каналах, а электронный блок - устанавли-
вать для каждого канала свое время накопления зарядов и свои коэффициенты усиления
сигналов. Это дает возможность учитывать различие в уровнях сигналов от целей и фонов
в отдельных спектральных поддиапазонах, оптимизировать соотношения между этими
сигналами, что необходимо для обеспечения высокоэффективной спектральной фильтра-
ции, для выбора рациональных «псевдоцветов» в системах отображения информации.
Для времени накопления 2 мс при диафрагменном числе объектива К = 2 значения
ЛГп в случае ограничения чувствительности флуктуациями излучения фона с темпера-
турой 300 К составляют:
- 150 мК в диапазоне 3,4.. .4,0 мкм,
- 121 мК в диапазоне 4,0...4,3 мкм,
- 27 мК в диапазоне 4,4...5,0 мкм.
Во всем спектральном диапазоне 3,4...5,0 мкм АГ„ =18 мК.
412 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
Система может использоваться в военных целях (обнаружение ракет по излучению
их двигателей и продуктов сгорания топлива, распознавание замаскированных целей и
др.), а также в комплексах экологического мониторинга, дистанционного физико-
химического зондирования и других сугубо гражданских применениях.
Цифровая ИКС (ИК ОЭМ) для диапазона 3...5 мкм на основе охлаждаемого базово-
го модуля МФПУ ОМ1 была разработана ЦНИИ «Электрон» (С.-Петербург). Базовый
модуль состоит из матричного МПИ формата 256x256, установленного в вакуумной
полости охлаждающей системы, а также криостата с охлаждаемыми апертурной диа-
фрагмой и оптическим фильтром и микрохолодильной машины типа МСМГ-5А-1,3/80
(ОАО «Сибкриотехника», Омск), работающей по циклу Стирлинга и создающей рабо-
чую температуру в 78 К за время не более 10 мин. Микрохолодильник может быть ус-
тановлен на расстоянии до 50 см от криостата.
В состав ИК-ОЭМ входит также аналого-цифровой электронный канал (ЭК), обес-
печивающий питание приемника, съем и усиление сигналов, их аналого-цифровое пре-
образование с разрядностью 12 бит и предварительную обработку видеосигнала. Стан-
дартный аналоговый видеосигнал с выхода ЭК может поступать на вход видеокон-
трольного устройства или видеомагнитофона.
Период пикселов МПИ составляет 40x40 мкм, а размеры чувствительных элементов -
18 мкм по горизонтали и 30 мкм по вертикали. Время кадра в режиме чересстрочной
развертки не более 40 мс. В диапазоне 3...5 мкм чувствительность составляет не менее
1,5-109 В/Вт на элемент, а пороговая экспозиция не более 10~12 Вт/элемент при уровне
фона не более 3-10-5 Вт/см2. Средняя квадратическая неоднородность чувствительности
отдельных элементов по всей матрице не превышает 5%. Динамический диапазон вы-
ходного сигнала не менее 50 дБ, напряжение насыщения не менее 5 В.
Габаритные размеры модуля МФПУ ОМ1 (без объектива) 93,5x071 мм, а платы
электронного канала 230х 130х 10 мм.
ИК ОЭМ в основном применяются в системах наблюдения, целеуказания и управ-
ления огнем корабельных комплексов; головках самонаведения крылатых ракет; на-
земных и космических системах измерения пространственных и спектральных характе-
ристик факелов двигательных установок ракет; в составе астрономической аппаратуры;
при мониторинге удаленных источников тепла.
Как еще один пример унификации модуля ФПУ можно рассмотреть разработанное
фирмой «Lockheed-Martin IR Imaging Systems» неохлаждаемое микроболометриче-
ское ФПУ формата 327x245 с интегральной КМОП-схемой считывания, параметры
которого приведены в табл. 7.6, 14.1 и 14.2. МПИ, схема считывания и электронный
тракт первичной обработки сигналов образуют стандартный модуль (SIM - Standard
Imaging Module). В электронном тракте предусмотрены коррекция неоднородностей
отдельных элементов МПИ, буферы интерфейса, схемы питания и другие блоки. Вы-
ходные видеосигналы, получаемые в реальном масштабе времени, могут иметь раз-
ряды 8 и 15 бит для стандартных аналоговых выходов RS-170, RS-232, RS-242, для
телевизионных стандартов NTSC и PAL, а также для высокочастотных интерфейсов,
построенных по параллельной схеме на матрицах с дискретными ключами.
14,8. Общие тенденции развития ИКС 413
На этом модуле основана камера LTC 500, применяемая в различных областях тех-
ники. В камере предусмотрена ручная или автоматическая установка уровня сигнала
(коэффициента усиления), установка монохроматического или псевдоцветового видео-
выхода, переключение полярности изображения, т.е. знака контраста (темное или свет-
лое изображение «горячих» и «холодных» частей сцены). Нелинейность чувствитель-
ности МПИ при изменении температур отдельных участков наблюдаемой сцены до
95°С не превышает 0,5%, a АТП = 0,07 К. Составляющая АТд, обусловленная геометри-
ческим шумом, не превышает 0,05 К при динамическом диапазоне сигналов 84 дБ, ко-
торый может быть увеличен до 120 дБ. Значение АТр составляет менее 0,4 К на про-
странственной частоте, превышающей частоту Найквиста более чем на 20% [88].
Основу оптического модуля LTC 500 составляет объектив с диафрагменным числом
0,8. Изменяя фокусное расстояние от 16 до 200 мм, можно менять горизонтальное уг-
ловое поле от 50,6 до 4,3°.
Камера LTC 500, широко используемая как в военном деле, так и в других областях
техники, которым посвящены отдельные разделы настоящей главы, функционирует в
диапазоне температур окружающей среды от—50 до +160°С. Время подготовки к рабо-
те составляет менее 30 с. На базе камеры LTC 500 фирмой «ВАЕ Systems» была создана
ИКС LTC 550 Micro IR™, отличающаяся от своего прообраза меньшими потребляемой
мощностью, габаритами и массой.
Модульный принцип широко использовался при разработке отдельных групп систем
компании «FLIR Systems», например группы систем Therma САМ 500, 1000,2000, 3000, а
также ИКС «TermoVision А20», «ТеппаСАМЕ2» и «ТеппаСАМ Р60». Он же удачно реа-
лизован в ИКС MIRIADS, разработанной Научно-исследовательской лабораторией ВВС
США (US Air Force Research Laboratory) совместно с компаниями «Nova Research Inc.»,
«Raytheon Infrared Operations» и «Optics 1 Inc.» для раннего обнаружения ракетного напа-
дения [76]. Панорамный объектив типа «рыбий глаз», позволяющий просматривать про-
странство объектов в полной полусфере [274], крепится к кольцеобразной оправке-трубе,
в задней части которой размещается ФПУ с системой охлаждения. На оправке размеща-
ется основная, «материнская», плата электроники. Сюда же могут надеваться (нанизы-
ваться) кольцеообразные дополнительные, «дочерние», печатные платы, содержащие ряд
узлов тракта обработки сигналов. Конструкция позволяет удобно заменять ФПУ, систему
охлаждения, электронные блоки. Благодаря компактному расположению отдельных мо-
дулей вся система размещается в сравнительно небольшом вакуумированном объеме,
имеет короткие соединения между ФПУ и электронной схемой, что снижает уровень
шумов и наводок, а также дает возможность обрабатывать сигналы на очень высоких
частотах. Требуемая холодопроизводительность близка к 1 Вт при рабочей температуре
77 К, что обеспечивается специальной конструкцией ФПУ.
Электронный тракт выполняет 14-разрядное аналого-цифровое преобразование сиг-
налов, снимаемых с предусилителей ФПУ, разделенных на 4 канала, а также одно-,
двух- и многоточечную коррекцию неоднородности пикселов ФПУ. Частота преобра-
зования сигналов в каждом канале близка к 106 пиксел/с. В системе предусмотрена
возможность обработки последовательности кадров, создаваемых ФПУ, при которой
16 Инфракрасные системы
«смотрящего» типа
414
Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
путем вычитания электронных изображений ослабляется постоянная составляющая
сигнала, происходит оконтуривание и сегментация изображения, пространственно-
временная селекция движущихся объектов. Благодаря этому можно наблюдать и от-
слеживать как сильно, так и слабо излучающие объекты в реальном масштабе времени.
Предусмотрены работа в двух спектральных диапазонах, а также использование
объектива с двойным угловым полем (10° и 100°). Переключение полей будет произво-
диться очень быстро (примерно за 20 мс), что позволит использовать MIRIADS в сис-
темах управления ракетами.
Многие зарубежные фирмы выпускают ИКС на базе различных МПИ. Так, компа-
ния «ВАЕ Systems» (Великобритания) выпускает системы Condor LW на базе ФКЯ
формата 320x256 (см. рис. 14.15), LUTE и LION (№48 и 49 в табл. 14.1 и 14.2) на базе
ферроэлектрического микроболометра формата 256х 128 с микросканированием мас-
штаба 2:1, а также другие ИКС на базе KPT-приемников. Унифицированные стандарт-
ные модули, разработанные этой компанией, например микроболометрические ФПУ
типов SIM 200, 205, 300 или система охлаждения по циклу Стирлинга с вращающимся
ротором, позволяют достаточно просто компоновать из них приборы самого различно-
го назначения, как военного, так и гражданского.
Таблица 14.13
Основные технические характеристики системы «ОРЛАН»
Техническая характеристика Канал
тепловизионный ночной ТВ дневной ТВ
Дальность обнаружения объекта типа «автомобиль», км 3,0 2,5 8,0
Дальность распознавания объекта типа «автомобиль», км 1,8 1,5 3,5
Угловое поле, град 4,5...6,0 9,5 4
Фокусное расстояние объектива, мм 150 110 ПО
Разрешающая способность, лин./мм — 28 40
Эквивалентная шуму разность температур, мК 100 — —
Одна из тенденций развития современных ОЭС — их комплексирование, например
объединение в единую конструкцию систем, работающих в различных спектральных
диапазонах. Для круглосуточного обнаружения и распознавания различных объектов в
широком спектральном диапазоне (0,4... 12,0 мкм) в ЦНИИ «Циклон» (Москва) разра-
ботана обзорная система наблюдения ОРЛАН (рис. 14.21 на вклейке, табл. 14.13). В
систему входят ИКС на базе неохлаждаемого микроболометра формата 320х240, а так-
же дневной и ночной телевизионные каналы. Модульный принцип построения системы
позволяет дополнять ее радиолокационным каналом, дальномером, GPS-приемником и
др. В системе осуществляется вывод изображения на экран монитора персонального
14.8. Общие тенденции развития ИКС
415
компьютера. Масса прибора (без поворотного устройства) составляет 15 кг, габариты
700x580x520 мм, потребляемая мощность 120 Вт.
Малогабаритный тепловизионный модуль Ракурс (разработка ЦНИИ «Циклон»)
(рис. 14.22 на вклейке) в сочетании с профессиональными и бытовыми видеокамерами
позволяет круглосуточно наблюдать, записывать и регистрировать тепловизионные
изображения в сложных метеорологических условиях, выявлять очаги возгорания, вес-
ти поисково-спасательные работы, контролировать линии электропередач и др. Ото-
бражение, запись и регистрация изображений осуществляются штатными устройствами
используемой видеокамеры. Модуль основан на микроболометре формата 320х240, рабо-
тающем в спектральном диапазоне 8... 12 мкм. Объектив с фокусным расстоянием 45 мм
имеет угловое поле 15x20°. Минимальная разрешаемая разность температур составляет
80 мК. Масса модуля 2 кг, габариты 075x155 мм.
Массогабаритные параметры и энергопотребление ИКС во многом определяют
большинство практических применений ее. Например, создание ручных, переносимых
одним человеком и нашлемных систем ставится в основу многих разработок. Поэтому
принимается, что масса переносимых ИКС не должна превышать 5... 10 кг, а габариты -
300x150x150 мм [108]. Уменьшение потребляемой мощности также очень актуально
для крупноформатных (более 1024x1024) неохлаждаемых ФПУ.
Ведущие фирмы-производители ИКС активно пытаются создавать дешевые, облег-
ченные, малогабаритные системы, обладающие минимальным энергопотреблением. В
качестве характерного примера можно указать на разработки компании «Raytheon IR
Operations», которая в тесном сотрудничестве с Департаментом ночного видения и
электронных датчиков Армии США с 1999 г. реализует программу LCMS (The Low
Cost Microsensors Program) создания целой гаммы ИКС «смотрящего» типа на базе InSb
(форматов 64x64,128 х128, 256x256, 640x480,1344x1344,2052x2052) и неохлаждаемых
микроболометрических (VOX) ФПУ форматов 160x128, 320x240 и 640x480 [64, 65, 92,
210,211].
В качестве базовой конструкции было выбрано ФПУ типа SB-212 (№13 табл. 14.1 и
14.2) и схема считывания SB-246. Размер пиксела был доведен до 25 мкм вместо 50 мкм
у предшествующей разработки SB-211 при сохранении формата 320х240. Испытания
ФПУ показали возможность получить А Тп «35 мК при К = \ и FK = 30 Гц в диапазоне
спектра 8... 14 мкм. Динамический диапазон температур наблюдаемых сцен составил
100 К; среднее квадратическое значение шума на выходе было близко к 1 мВ при воль-
товой чувствительности пикселов более 2,5-107 В-Вт-1. Мощность рассеяния составила
150 мВт при рабочей температуре ФПУ 25°С. Количество годных пикселов превышало
98%. Четырехкратное уменьшение площади пиксела по сравнению с SB-211 обеспечи-
ло большее геометрооптическое разрешение ИКС, а двукратное увеличение углового
поля позволило уменьшить объем конструкции в 8 раз. Электронный интерфейс SB-212
также заметно удешевлен, а потребляемая мощность снижена (до 2 Вт). Габариты ИКС
доведены до 277x195x137 мм.
Это ФПУ и его модификации предполагается щироко использовать в военных и
гражданских системах (системы наблюдения и прицеливания для стрелкового и друго-
16’
416 Глава 14, Современное состояние и перспективы развития ИКС
го вооружения, нашлемные системы, системы обнаружения и наблюдения при пожа-
рах, радиометры для промышленного контроля и медицинских наблюдений и др.).
Те же тенденции уменьшения массы, габаритов, потребляемой мощности и стоимо-
сти наблюдаются в разработках компании «Indigo Systems», которая с 1997 г. выпусти-
ла ряд модификаций миниатюрных ИКС марки UL3 на неохлаждаемых матричных
микроболометрических ФПУ формата 160x120 (№29, 30 табл. 14.1 и 14.2). Если у пер-
вых моделей UL3 (Alpha) масса, объем и габариты (без объектива с фокусным расстоя-
нием 18 мм) составляли 186 г, 142 см3 и 43х43х76 мм соответственно, то у модели UL3
Omega эти параметры были доведены до 102 г, 57,4 см3 и 35x33x48 мм, а потребляемая
мощность снизилась с 1,5 Вт (при комнатной температуре эксплуатации ИКС) до 1,1 Вт
[182]. АГп составляет менее 85 мК при К = 1,6 против 100 мК у UL3 Alpha при том же
К. Для матрицы камеры UL3 Omega диапазон рабочих температур с 0...+55°С был
расширен до -40.. .+55°С.
Если в камере UL3 Alpha использовалась термоэлектрическая система стабилизации
рабочей температуры ФПУ, то в модели UL3 Omega такая система отсутствует, а для
коррекции неоднородности в широком диапазоне рабочих температур используется
специальная обработка сигналов в электронной схеме. Это позволило уменьшить раз-
меры, энергопотребление и стоимость всей системы, практически мгновенно после
включения приводить ФПУ в рабочее состояние, а также расширить динамический
диапазон температур наблюдаемой сцены. В камере UL3 Omega разрядность цифрово-
го выхода равна 14 бит. Аналоговым выходом видеосигнала может служить стандарт-
ный RS-170.
Электронный тракт позволяет автоматически оптимизировать динамический диапа-
зон выходных сигналов, устанавливать их черно-белый уровень, выносить специальные
символы на экран системы отображения, подстраивать чувствительность системы при
изменении максимальных температур наблюдаемой сцены от 400 до 150°С, а также
расширять формат (от 160x120 до 320x240), применяя билинейную интерполяцию.
Камера пригодна для использования в нашлемных системах, удобных при борьбе с
пожарами, для проведения поиска в задымленных и запыленных помещениях, в систе-
мах контроля сооружений, при охране границ и таможенном контроле, в термографии,
а также в ряде военных применений. На базе UL3 Omega предполагается создать сис-
темы для работы в ближневолновом ИК-диапазоне (от 0,9 до 1,7 мкм) с матрицами из
InGaAs формата 320x240.
Широкую гамму как гражданских, так и военных ИКС, применяемых в самых раз-
личных областях науки и техники, разрабатывает и производит компания «FLIR Sys-
tems». В табл. 14.1 и 14.2 приводятся некоторые примеры этих систем, построенных на
базе микроболометров (№58-60). Так, тепловизионная ИКС ThermaCAM Р60 может
использоваться не только для визуализации ИК-изображений, но и для радиометриче-
ских измерений, обеспечивая погрешность измерения температур нагретых объектов (в
диапазоне до 2000°С) порядка ±2%. С помощью встроенной цифровой видеокамеры в
ИКС осуществляется регистрация визуально наблюдаемых изображений, что позволя-
ет, например, разнести во времени обнаружение дефектов контролируемого объекта и
14.8. Общие тенденции развития ИКС
417
их устранение. Встроенный лазерный указатель помогает быстро выполнить коорди-
натную привязку объекта, интересующего наблюдателя. В ИКС обеспечивается сохра-
нение радиометрических изображений в памяти самой камеры или с помощью сменной
флэш-карты на 128 Мбайт. Перемещение перекрестия, расчет разности температур и
изотерм и другие операции легко выполняются одной рукой, в то время как другой ру-
кой оператор удерживает наведенную на объект камеру. Масса камеры вместе с акку-
муляторной батарей и цветным ЖК-дисплеем составляет менее 2 кг, что облегчает ра-
боту с ней. В ИКС предусмотрен режим энергосбережения, а также зарядка от автомо-
бильных аккумуляторов. Камера может быть укомплектована сменными объективами,
что расширяет ее функциональные возможности.
Габариты и масса многих систем невелики, что позволяет либо использовать их в
«ручном» режиме, либо закреплять на небольших штативах при достаточно произволь-
ном положении (горизонтальном, вертикальном, наклонном) линии визирования - оп-
тической оси системы. Большинство из них сопрягаются с персональными компьюте-
рами, например, типа Note-Book и их программным обеспечением (Excel, Matlab и др.).
Многофункциональность ИКС сказывается и на особенностях их схемного построе-
ния. Так, если одна и та же система предназначена для обнаружения, распознавания и
слежения за какими-либо объектами, то в ней следует использовать оптические систе-
мы с двумя различными угловыми полями (или с одним, но перестраиваемым): широ-
кого для разведки, обнаружения и предварительного слежения и узкого для распозна-
вания, идентификации и точного слежения за объектом. То же самое можно сказать и
об ИКС, работающих в большом динамическом диапазоне контролируемых величин
(системы обнаружения очагов возгораний и поиска объектов во время пожара и др.).
Примером может служить камера UL3, которая комплектуется сменными объективами
с фокусными расстояниями 11, 18 и 30 мм и соответствующими угловыми полями
40х30°, 25x19° и 15хЦ°, т.е. с одинаковыми диафрагменными числами (К= 1,6). Про-
дольные размеры и массы объективов составляют 28 мм и 33 г, 22,8 мм и 26 г, 35,5 мм
и 38 г соответственно. Планируется создать объективы с К = 1 для достижения повы-
шенной чувствительности, а также объектив с f - 9 мм для широкопольных ИКС.
В качестве примера тенденций развития современных ИКС «смотрящего» типа
можно указать программу «Интегрированные датчики изображений» (I2S), реализуемую
компанией «Raytheon», Научно-исследовательским центром «Raytheon Santa Barbara Re-
search Center», Департаментом ночного видения и электронных датчиков (NVESD) Ар-
мии США и корпорацией «Pixel Vision» (США). Эта программа преследовала две цели:
во-первых, создать оружейный прицел, работающий в двух спектральных диапазонах
(0,4... 1,7 и 8... 14 мкм), но имеющий единую оптическую систему, а во-вторых, создать
твердотельное ФПУ для диапазона 0,4... 1,7 мкм на базе фоточувствительного слоя из
InGaAs, «наплавленного» на кремниевый ПЗС [67]. В качестве приемника для диапазона
8... 14 мкм в этой ИКС (I2S Rifle Sight) используется ФПУ на микроболометре компании
«Raytheon Systems Company» формата 320x240. Как уже отмечалось, для модуля SB-212
формата 320x240 размер пиксела составляет 25 мкм, а ДГП не превышает 50 мК при К= 1
и частоте кадров 30 Гц (см. п. 7.5.1). Реализация второй цели указанной программы
418 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
должна проиллюстрировать очень интересную тенденцию совершенствования современ-
ных приборов ночного видения - замену электронно-оптических преобразователей на
более компактные и экономичные высокочувствительные твердотельные матричные
МПИ видимого и ближнего ИК-диапазонов (см. §8.3).
Очевидно, эта цель совпала с той, которую преследовала компания «Raytheon», соз-
давая ИКС с МПИ в виде микроболометра формата 160x120 на основе аморфного
кремния. В этой системе ЛТ^ = 40 мК при кадровой частоте 20 Гц. Энергопотребление
системы без дисплея составило 300 мВт, с дисплеем — 450 мВт. Планируется повысить
чувствительность подобной ИКС в 2...3 раза. При выходе на рынок система будет сто-
ить около 500 долл. [146].
Ожидается, что в недалеком будущем подобная аппаратура заменит приборы ночно-
го видения на базе ЭОП в нашлемных облегченных прицелах, прицелах и целеуказате-
лях стрелкового вооружения. Может значительно расшириться рынок сбыта подобных
ИКС как военного (разведывательные наземные системы, в том числе и автономные;
системы обнаружения мин; малогабаритные беспилотные летательные аппараты, сна-
ряжение «Солдата XXI века» и др.), так и гражданского назначения (системы вождения
транспорта, обнаружения очагов пожаров и пострадавших, оперативной термографии и
дефектоскопии и др.).
При создании новых систем военного назначения (разведки, обнаружения целей и
слежения за ними и т.д.) наблюдается явная тенденция к комплексированию датчиков
различных типов (оптических, радиотехнических, акустических и др.), т.е. к объеди-
нению их в единый комплекс сбора, обработки и хранения информации о наблюдае-
мой сцене. С конца 90-х годов Департамент ночного видения и электронных датчиков
(NVESD) совместно с Научно-исследовательской лабораторией (ARL) Армии США
развивает и поддерживает программу (UL3) создания малогабаритных, предельно об-
легченных и потребляющих чрезвычайно малую мощность оптических, акустических
и сейсмических датчиков, объединенных в единый комплекс, который предназначен
для обеспечения боевых действий малых групп и отдельных солдат в городских усло-
виях [92].
Учитывая сложность задач, стоящих перед разработчиками ИКС третьего поколе-
ния, расширение областей применения этих систем, усложнение условий их испытаний
и эксплуатации, а также требований к уменьшению сроков проектирования и снижения
его стоимости, возрастает значимость моделирования, и прежде всего компьютерного,
о котором говорилось в гл. 13. Не случайно число моделей ИКС, как достаточно обоб-
щенных, так и частного применения, описываемых в научно-технических публикациях
последнего десятилетия, непрерывно возрастает.
К настоящему времени качество МПИ, и прежде всего микроболометров и ФКЯ,
достигло уровня, соответствующего требованиям к большинству гражданских и многих
военных ИКС, причем это позволяет во многих случаях уделять основное внимание
снижению их стоимости, уменьшению габаритов, массы и энергопотребления, а не
только повышению спектрального, пространственного и энергетического разрешения,
как это было еще совсем недавно.
14.8. Общие тенденции развития ИКС
419
Последние аналитические исследования [53, 64, 73, 210, 215, 230 и др.], учитываю-
щие уровень современной технологии и ближайшие перспективы ее развития, показы-
вают, что для большинства практических применений главной задачей становится соз-
дание недорогих неохлаждаемых ФПУ умеренного формата и ИКС модульного типа.
По существующим прогнозам, в США в текущем десятилетии около двух третей ИКС
военного назначения и более половины гражданского будут основываться на неохлаж-
даемых матричных МПИ.
Рост интереса к неохлаждаемым МПИ вызван стремлением уменьшить до мини-
мума массу, габариты и мощность, потребляемую ИКС, что особенно важно для на-
шлемных систем различного назначения, ОЭС технического зрения (робототехниче-
ских систем), систем воздушной разведки и раннего оповещения, устанавливаемых на
малогабаритных летательных и космических аппаратах. Ожидается, что для многих
практических применений можно будет сочетать неохлаждаемые МПИ с малогаба-
ритными оптическими системами (объективами), имеющими диаметр входного зрач-
ка 10...25 мм и диафрагменное число порядка 3, что обеспечит достаточный для не-
больших дальностей уровень входного сигнала и приемлемое качество изображения
[108]. Для подобных ИКС сравнительно просто увеличить срок безотказной работы
до нескольких тысяч часов благодаря отсутствию системы охлаждения ФПУ. По-
следнее сказывается и в очень быстрой готовности таких ИКС к работе с момента
включения питания.
Сегодня для выпускаемых на рынок ФПУ, работающих в диапазоне 3...5 мкм, стои-
мость одного элемента МПИ оценивается в 1...2 долл., причем уменьшение ее за год
вдвое (без учета инфляции) считается довольно устойчивой тенденцией [146].
Следует учитывать, что основной вклад в общую стоимость ИКС часто вносит све-
тосильная оптика, которая особенно важна для микроболометрических систем, по-
скольку их чувствительность остается пока заметно меньшей, чем у фотонных прием-
ников, а отсюда микроболометрические ИКС уступают последним по температурному
разрешению АТ„. Кроме того, большая светосила объектива часто ограничивается до-
пустимыми габаритами ИКС и может привести к невозможности обеспечить достаточ-
ное большое его угловое поле даже при росте формата ФПУ и уменьшении размера
пиксела (см. §6.6). Поэтому в быстродействующих оптико-электронных следящих сис-
темах, например, в ИК-системах наведения и самонаведения ракет, где уменьшение А 7^
за счет увеличения времени накопления зарядов не представляется возможным, приме-
нение микроболометров иногда считается проблематичным [234].
Если исключить достаточно уникальные применения ИКС «смотрящего» типа, на-
пример, планируемое NASA в ближайшее десятилетие использование крупноформат-
ных KPT-матриц в космических телескопах нового поколения [80], то можно различать
три группы перспективных ИКС третьего поколения.
К первой группе относятся высококачественные ИКС, работающие в двух и более
спектральных поддиапазонах, имеющие приемники излучения с очень высокой чувст-
вительностью и схемы считывания сигналов, которые сохраняют и обрабатывают прак-
тически все заряды, создаваемые приемником. Это могут быть относительно дорогие
420 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
системы на базе ФПУ, охлаждаемых до температур порядка 120 К, позволяющие рабо-
ту на повышенных кадровых частотах (несколько сотен герц). Использование двух и
более рабочих спектральных поддиапазонов позволит повысить вероятность обнаруже-
ния и распознавания объектов (в том числе замаскированных целей) на больших даль-
ностях. Эти системы могут размещаться на такой дорогостоящей технике, как танки,
самолеты, суда, космические платформы.
Вторую группу образуют ИКС с неохлаждаемыми ФПУ, характеристики которых,
соответствуют средним характеристикам ИКС первого и второго поколений с охлаж-
даемыми ФПУ. Для них не потребуются сложные системы температурной стабилиза-
ции. Их стоимость должна быть умеренной, а масса, габариты, энергопотребление -
небольшими. В военной технике такие ИКС предполагается использовать в системах
вождения машин, прицелах, головках самонаведения ракет, нашлемных системах на-
блюдения, где требуются сравнительно небольшие и средние дальности действия.
Наконец, третью группу составят очень дешевые микродатчики (микро-ИКС), кото-
рые смогут завоевать рынки сбыта благодаря низкой стоимости, малым размерам, мас-
се, энергопотреблению. В отличие от систем второй группы, которые все же требуют
температурной стабилизации ФПУ, мощности питания порядка 10 Вт и более, а также
времени готовности к работе после включения порядка нескольких минут, эти микро-
датчики должны потреблять мощность 0,3... 1,0 Вт и включаться практически мгновен-
но [93]. Все это позволит создать ряд новых систем, например ИКС одноразового при-
менения, новые нашлемные ИКС. Они могут использоваться в системах связи, работать
с другими датчиками (акустическими, сейсмическими, магнитными) для обнаружения
движущихся объектов и передавать изображения на посты контроля и охраны, на ко-
мандные пункты, находящиеся от них на расстоянии до 10 км и более (до 100...200 км).
Такие датчики будут строиться преимущественно на базе неохлаждаемых микроболо-
метрических ФПУ и ИКС [73, 92, 93, 230 и др.].
Приведем основные параметры ИКС этих трех групп, прогнозируемые на ближай-
шее десятилетие в зарубежной научно-технической литературе [53, 64, 73, 92, 215, 230].
ИКС ПЕРВОЙ ГРУППЫ
Спектральные рабочие поддиапазоны', видимый или 2,1...2,4/3...5 мкм с термоэлек-
трическим охлаждением до 180 К; 3...5/8...12 мкм, или 2,1...2,4/8...12 мкм, или ком-
бинация различных узких полос внутри поддиапазона 8... 12 мкм с охлаждением до
120 К; видимый или 2,1...2,4/3...5/8... 12 мкм с охлаждением до 120 К.
Форматы матриц-. 1024x1024, 1024x2048, 2048x2048; возможны телевизионные
форматы с соотношением сторон 16:9.
Размеры одного пиксела', менее 20 мкм, например 18 мкм с микролинзовым растром.
Эквивалентная шуму разность температур ТП при К= 2 менее 10 мК в поддиапа-
зоне 8... 12 мкм и менее 50 мК при К = 2 в других поддиапазонах.
Емкость (накопительная способность) ячейки ФПУ: 109 электронов.
14.8. Общие тенденции развития ИКС 421
Частота кадров: до 480 Гц при аналого-цифровом преобразовании сигнала в ФПУ
и коррекции неоднородности.
Допустимая остаточная неоднородность: менее 0,5 Д ТП
Система охлаждения: дьюар с высоким вакуумом; механический или термоэлек-
трический холодильник с Т= 120... 180 К.
ИКС ВТОРОЙ ГРУППЫ
Размер одного пиксела: порядка 25 мкм.
Форматы матриц: 320x240, 512x512, ...до 1024x1024.
Значения Д Тп: менее 10 мК при /€=1 и 60 мК при К = 2,5.
Система охлаждения: дьюар с умеренным вакуумом, система охлаждения и стаби-
лизации температуры может отсутствовать.
Невысокая стоимость, малая потребляемая мощность.
ИКС ТРЕТЬЕЙ ГРУППЫ (МИКРОДАТЧИКИ)
Размер одного пиксела: 25.. .50 мкм.
Форматы матриц: 160х 120.. .320х240 элементов.
Эквивалентная шуму разность температур Тп : менее 50 мК при К - 1,8, FK= 30 Гц
и температуре фона 300 К (иногда прогнозируется значение Д7П, близкое к теоретиче-
скому пределу, т.е. 1.. .2 мК при размерах пиксела 50x50 мкм, К = 1 и FK = 30 Гц.)
Время накопления сигнала: 1...5 мс.
Потребляемая мощность (при наличии схемы управления питанием): менее 0,01 Вт.
Масса: до 0,05 кг.
Объем: менее 2 куб. дюймов; максимальный габаритный размер не должен превы-
шать 15 см, что составляет, например, около 1/10 размера современных малогабарит-
ных носителей (беспилотных летательных аппаратов), перемещающихся со скоростями
от 10 до 20 м/с.
Система охлаждения: дьюар с умеренным вакуумом без системы охлаждения и
стабилизации температуры.
Стоимость таких микродатчиков не должна превышать 50... 100 долл.
Интересно сопоставить данные об объемах продаж датчиков этих групп на базе
InSb, выпускаемых группой компаний «Raytheon Infrared Operations», которые в 2001 г.
составили: ИКС формата 64x64 - более 500 единиц, формата 128x128 - более 2300
единиц, форматов 256x256 - более 1000 единиц, формата 1024x1024 - десятки и от-
дельные экземпляры [92].
Иногда говорят об ИКС третьего поколения, которые должны обладать следующи-
ми качественными признаками [169]:
422 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
- более 106 пикселов размером менее 10. ..20 мкм и с высокой степенью заполнения
чувствительного слоя МПИ;
- два и более спектральных диапазона;
- более высокие, чем сегодня, рабочие температуры (более 150 К);
— большие (несколько сотен герц) частоты кадров.
Рассмотрим конкретные пути реализации отмеченных тенденций путем совершен-
ствования основных узлов ИКС: оптических систем, ФПУ, электронных трактов обра-
ботки сигналов.
Совершенствование оптических систем ИКС идет по традиционным направлениям:
— разработка новых, более технологичных и дешевых оптических материалов для
широкого диапазона оптического спектра, обладающих лучшими параметрами и харак-
теристиками, чем современные;
- создание новых оптических схем, миниатюризация, особенно за счет применения
интегральных технологий и систем, когда оптические элементы и электронные схемы
выполняются в виде монолитной конструкции, например в одном кристалле; примене-
ние асферических поверхностей и дифракционной оптики для улучшения качества изо-
бражения;
- совершенствование существующих и освоение новых технологий изготовления
оптических деталей, например травления, электронно-лучевой, лазерной и ионной об-
работки, эпитаксии;
- создание адаптивных оптических систем.
Уже сегодня размеры отдельных пикселов МПИ близки к определяемому дифрак-
цией пределу dn = 2,441К, где % - длина волны излучения, а К - диафрагменное число
объектива, строящего изображение в плоскости чувствительного слоя МПИ. Для К = 2
(D/f = 1:2) и А. = 5 мкм (1Д « 25 мкм. С учетом возможной избыточной дискретизации
размеры элементов (пикселов) могут достигать 10... 12 мкм для МПИ, работающих в
диапазоне спектра 3...5 мкм.
Сегодня, разрабатывая конструкции оптических систем с разрешением, близким к
дифракционному, и большим относительным отверстием (К « 1), специалисты говорят
о возможности создания ИКС с уплотненной пространственной выборкой (до четырех
и более на размер пиксела), что при использовании специальных методов обработки
сигналов может повысить качество изображения, создаваемого ИКС, увеличить точ-
ность измерений координат наблюдаемых объектов и улучшить другие критерии каче-
ства и эффективности работы ИКС.
Для двухдиапазонных ИКС, например работающих одновременно в участках спек-
тра 3...5и8...14 мкм, очень выгодно иметь общую оптическую систему.
Продолжаются разработки ИКС с изменяющимся угловым полем объектива, в кото-
рых используются МПИ. Чаще всего в этих системах широкое поле обнаружения (об-
зора) переключается на узкое поле распознавания или слежения.
Постоянно ведутся исследования и разработки атермализованных оптических сис-
тем, например применяемых в ракетной технике, работающих в условиях значительных
аэродинамических нагревов.
14.8. Общие тенденции развития ИКС
423
Очень перспективными представляются системы, в которых на сферических и пло-
ских поверхностях оптических деталей из кремния формируются тонкие асферические
или дифракционные пластмассовые покрытия. Эти слои создаются либо путем алмаз-
ного точения, либо моллированием. Такая технология заметно снижает стоимость оп-
тических систем для двухдиапазонных ИКС.
Примером следования этим тенденциям служит разработка трехзеркальной облег-
ченной оптической системы с атермализацией и общим для двух спектральных рабо-
чих диапазонов входным зрачком [65]. Диапазоны 0,5... 1,7 и 7,5... 13,5 мкм разделя-
ются с помощью дихроичного зеркала. Система имеет двойное угловое поле: широкое -
18x24° и узкое - 4,5х6,0° с размерами входных зрачков 38x76 и 9,5x19 мм и фокусны-
ми расстояниями 76 и 19 мм соответственно. В диапазоне 0,5... 1,7 мкм формат фото-
ПЗС составляет 480x640 пикселов размером 12 мкм. В диапазоне 7,5...13,5 мкм ис-
пользовался модуль SB-212 (см. выше). В канале 0,5... 1,7 мкм предусмотрено исполь-
зование оптических нейтральных фильтров и ирисовой диафрагмы для ослабления
дневного света в 104 раза, что позволяет системе работать как днем, так и в безлун-
ную ночь. Изображения, получаемые в двух спектральных диапазонах, сводятся в од-
но электронным путем. В то же время оператор может отображать на дисплее любое
из них.
В системах с высоким энергетическим и пространственным разрешением использу-
ются светосильные объективы большого диаметра, стоимость которых, как и стоимость
ФПУ, весьма значительна. Ограничение формата ФПУ в ИКС третьей группы и
уменьшение размеров отдельных пикселов при сохранении их высокой чувствительно-
сти позволяет уменьшить относительное отверстие объектива, что заметно снижает
стоимость всей системы.
К основным направлениям совершенствования ФПУ, в первую очередь, относятся:
- увеличение пространственного, энергетического и временного разрешения МПИ и
ФПУ;
- повышение рабочей температуры (температуры охлаждения) ФПУ или вообще от-
каз от системы охлаждения;
- увеличение частоты кадров;
- создание ФПУ, работающих в двух и более спектральных диапазонах.
В настоящее время максимальные размеры охлаждаемых матричных МПИ близки к
5Х5 см с числом элементов более 4'106. В ближайшее десятилетие предполагается уве-
личить размеры кремниевых подложек, на которые наносятся чувствительные слои
КРТ и InSb, что позволит довести размеры чипа ФПУ до 25x25 см и заметно увеличить
форматы МПИ, хотя останется проблема обеспечения высоких коэффициентов запол-
нения МПИ при уменьшении размеров отдельных пикселов.
Соответственно увеличению числа отдельных элементов МПИ (до 109) возрастают
требования к коррекции неоднородности их чувствительности. Это особенно важно,
если исходить из повышающихся требований к энергетической (температурной) раз-
решающей способности ИКС. Часто считается, что необходимо уменьшить простран-
ственную неоднородность элементов МПИ до уровня менее 0,5ДТп. Для получения
424 Глава 14, Современное состояние и перспективы развития ИКС
ДТп = 25 мК остаточная неоднородность Ск пикселов ФПУ не должна превышать 0,04%,
так как только в этом случае геометрический шум будет пренебрежимо мал по сравне-
нию с тепловым. Соответственно, при требовании ДТП = 2,5 мК значение Ск не должно
превышать 0,004%.
Очень актуальным является создание неохлаждаемых МПИ и ФПУ без температурной
стабилизации. Сегодня для коррекции неоднородности чаще всего используют регули-
ровку в реальном масштабе времени коэффициентов усиления и напряжений смещения
схем считывания. Очевидно, в перспективе предпочтение будет отдаваться цифровой
обработке, когда значения коэффициентов усиления и напряжений смещения для каж-
дого пиксела ФПУ при различных температурах будут запоминаться в ЗУ, а затем в
сигналы, получаемые при просмотре кадров (сцены), будут вводиться соответствую-
щие поправки. Реализация на практике такой процедуры усложняется по ряду причин.
Во-первых, при большой крутизне и нелинейности зависимости чувствительности
ФПУ от температуры требуются очень высокие точности подобной калибровки и кор-
ректировки, а также большое число точек (температур), по которым проводится калиб-
ровка. Это увеличивает требования к объему памяти и другим параметрам электронно-
го тракта. Во-вторых, необходимо обеспечивать стабильность параметров и характери-
стик ФПУ во времени, так как в реальных условиях эксплуатации многих ИКС не уда-
ется достаточно часто проводить их калибровку. Тем не менее такой алгоритм работы
ИКС с неохлаждаемыми ФПУ уже успешно реализуется на практике. Так, компания
«Boeing» продемонстрировала возможность сохранения значения ДГП таким путем в
пределах 25...35 мК при изменении температуры ФПУ в диапазоне +15...+40°С [73]. В
§7.5 приводились сведения об аналогичной разработке микроболометров фирмами
«LETI» и «ULIS».
Развитие ИКС третьего и последующих поколений будет в очень большой степени
зависеть от прогресса в области аппаратурного и программного обеспечения цифровой
вычислительной техники. Определяющими факторами при этом являются производи-
тельность процессора, объем памяти и сложность программного обеспечения.
Интересно сопоставить тенденцию роста количества пикселов охлаждаемых ФПУ с
тенденцией увеличения объема динамической памяти современных и перспективных
запоминающих устройств (ЗУ в битах на чип). На рис. 14.23 приведены графики, ото-
бражающие эти тенденции [214]. Одновременно следует отметить, что в КМОП-схемах
считывания современных ФПУ в каждой ячейке используются, как минимум, три тран-
зистора.
У ИКС без систем охлаждения ДТП должна быть уменьшена до того же значения, что
у ИКС второго поколения с охлаждением, т.е. до 10 мК при К = 1 и малых размерах чув-
ствительных элементов (25...30 мкм). Однако у ИКС третьего поколения без охлаждения
меньше диафрагменное число К объектива и меньше время интегрирования всего кадра.
Программа совершенствования неохлаждаемых тепловизионных систем (Advanced
Uncooled Thermal Imaging Program) Агенства по перспективным оборонным научно-
исследовательским проектам (Defense Advanced Research Projects Agency - DARPA)
предусматривает создать микроболометры формата 1280*960 пикселов размером
14.8. Общие тенденции развития ИКС
425
15 мкм и ДТп = 10 мК [146]. При ее реа-
лизации станет возможным заменить
ИКС с охлаждаемыми ФПУ на более
дешевые и экономичные ИКС с микро-
болометрами. Этой же цели служит
стремление исключить из состава ИКС
термоэлектрические охлаждающие уст-
ройства и перейти на управление чувст-
вительностью, т.е. стабилизировать и
корректировать неоднородность в боль-
шом динамическом диапазоне чисто
электронными средствами, что поможет
уменьшить массу, габариты, энергопо-
год
Рис. 14.23. Тенденции роста числа пикселов у ряда
охлаждаемых ФПУ и объема памяти ЗУ
требление и стоимость таких ИКС [73, 146]. Очень важно, что при решении этих задач
заметно упростится создание автономных ИКС военного назначения, способных рабо-
тать совместно с радиотехническими, сейсмическими, акустическими и другими датчи-
ками в сложных эксплуатационных условиях.
Уже упоминалась разработка ИК-камеры UL3 Omega, в которой термоэлектриче-
ская система стабилизации рабочей температуры заменена электронной. В [146] приве-
дены результаты исследований электронной системы стабилизации чувствительности
микроболометрического ФПУ компании «Boeing», основанной на калибровке коэффи-
циентов усиления отдельных пикселов в широком диапазоне температур наблюдаемого
черного тела (от 15 до 42,5°С), запоминании этих коэффициентов, их экстраполяции и
учете в процессе работы ИКС. В диапазоне от 17,5 до 30°С значение АГ,, оставалось
практически постоянным и равным приблизительно 25 мК. При повышении температу-
ры до 42,5°С среднее значение ДГП несколько увеличивалось, наблюдались отдельные
выбросы, но они не превышали 55 мК. Разработчики компании «Boeing» надеются усо-
вершенствовать электронную систему стабилизации и довести ЬТ„ до значений, мень-
ших 20 мК [146]. Путь дальнейшего совершенствования неохлаждаемых микроболо-
метров без системы термоэлектрической стабилизации они видят также в использова-
нии дешевого аморфного кремния в качестве материала чувствительного слоя МПИ.
Тенденция перехода на электронную систему стабилизации чувствительности и
коррекции неоднородности отдельных пикселов ФПУ характерна и для последних раз-
работок компании «AEG Infrarot-Module GmbH» — ИКС на базе KPT-МПИ с микроска-
нированием [97].
Стремление улучшить пространственное разрешение ИКС, уменьшая размеры чув-
ствительного элемента МПИ, наталкивается на ряд препятствий: технологические
сложности изготовления; уменьшение коэффициента заполнения пиксела; усложнение
схемы считывания и обработки сигналов, особенно при сохранении неизменным угло-
вого поля ИКС, что ведет к увеличению формата ФПУ; уменьшение зарядовой вмести-
мости (емкости) соответствующей пикселу МПИ ячейки схемы считывания накоплен-
ного сигнала и др. В последние годы для повышения пространственного разрешения
426 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
ИКС без уменьшения размеров отдельных элементов МПИ все чаще используют рассмот-
ренное в гл. 9 микросканирование.
Как уже неоднократно отмечалось, поток фотонов в длинноволновом ИК-диапазоне
спектра собственного излучения большинства наблюдаемых ИКС сцен гораздо больше,
чем в видимом и ближнем ИК-диапазонах. Это зачастую вызывает насыщение (переполне-
ние) ячеек схем считывания сигналов с отдельных элементов МПИ. Сегодня емкость
этих ячеек при размере пиксела порядка 30 мкм обычно не превышает 3-107 носите-
лей заряда. Насыщение типовой ячейки при сигнале с плотностью 1О16...1О17 элек-
тронов на 1 см2 в 1 с происходит за 10... 100 мкс, в то время как время кадра часто
близко к 10 мс. Поэтому увеличение зарядовой емкости ячейки схемы считывания
важно с точки зрения увеличения динамического диапазона облученностей, при ко-
торых работает ИКС.
Для ИКС третьего поколения ставится задача повышения чувствительности на по-
рядок и более, т.е. достижения ДТП = 1...2 мК. Если для длинноволнового ИК-диапа-
зона сопоставить изменение потока фотонов, вызванное изменением температуры на
1 мК, со значением потока, соответствующего типичной температуре фона 300 К, то
получится, что емкость накопительных ячеек схемы считывания должна составлять
6-Ю9 электронов. Это соответствует динамическому диапазону 5,5-104 (95 дБ). Но даже
при таком большом динамическом диапазоне насыщение ячеек будет происходить для
температур сцен порядка 355 К [215].
Для предотвращения насыщения ячеек схемы считывания ФПУ путем снижения
уровня сигнала можно уменьшать относительное отверстие, сужать спектральный диа-
пазон работы ИКС, уменьшать время накопления. Однако все эти меры ведут к умень-
шению отношения сигнал-шум и, как следствие, к ухудшению показателей качества
работы системы.
Устранить или ослабить влияние емкости накопительных ячеек на ограничение ди-
намического диапазона можно разными способами: технологическими, повышением
частоты кадров с последующим усреднением сигналов, применением высокочастотной
пространственной оптической фильтрации.
К числу технологических способов относятся совершенствование конструкции кон-
денсаторов этих схем, применение новых изолирующих материалов с более высокими
диэлектрическими постоянными и др., однако предполагается, что они не приведут к
увеличению емкости ячеек в ФПУ, работающих в диапазоне 8... 14 мкм, более чем на
порядок [249].
Для обеспечения большого динамического диапазона принимаемых сигналов с со-
хранением высокого отношения сигнал-шум предлагалось использовать несколько вы-
борок аналогового сигнала с выхода ФПУ за время кадра с помощью АЦП и затем ин-
тегрировать и осреднять их. Осуществление преобразования аналогового сигнала в
цифровой в одном кристалле со схемой считывания имеет ряд преимуществ перед тра-
диционной схемой, когда АЦП находится вне ФПУ (см. рис. 10.1). Во-первых, вместо
одного АЦП для всех пикселов ФПУ можно использовать несколько таких преобразо-
вателей, т.е. вести параллельную обработку сигналов и либо увеличить частоту кадров,
14.8. Общие тенденции развития ИКС
427
либо уменьшить частоту выборки. Последнее позволяет уменьшать эквивалентную по-
лосу пропускания шума, а следовательно, и шум, вносимый АЦП. Оптимальной яви-
лась бы схема «один пиксел — один АЦП», но ограничения площади ячейки не позво-
ляют сегодня реализовать ее на практике. Более реальной представляется схема «один
или несколько столбцов пикселов - один АЦП».
Во-вторых, совмещение ФПУ с АЦП в одном чипе позволяет уменьшить зависи-
мость сигнала от внешних помех (электромагнитных наводок, вибраций и т.п.). Осо-
бенно перспективным такое совмещение представляется для охлаждаемых ФПУ боль-
ших форматов на базе КМОП-структур, поскольку помимо возможного уменьшения
частоты выборки сигналов размещение АЦП вместе с МПИ и схемой считывания в ох-
лаждаемом объеме (в дьюаре) улучшает параметры КМОП-элементов, уменьшает токи
утечки и тепловой шум.
Основными препятствиями совмещению ФПУ и АЦП в одном чипе являются ус-
ложнение схемы, увеличение размеров и стоимости ФПУ, а также увеличение энер-
гопотребления, главным образом, из-за увеличения нагрузки на систему охлажде-
ния. Анализ различных схем АЦП, проведенный авторами [197], привел их к выво-
ду о том, что при современном уровне технологии для ФПУ на базе ФКЯ формата
640x480 с температурным разрешением 15 мК, охлаждаемых до 70 К и ниже, пре-
имущества размещения АЦП в составе ФПУ на практике пока не могут быть реали-
зованы.
Следует учитывать, что увеличение частоты кадров свыше 100 Гц ведет к усложне-
нию холодильника, так как частота кадров и активная нагрузка системы охлаждения
взаимосвязаны (изменяются прямо пропорционально одна другой). Это также объясня-
ет стремление повысить рабочую температуру ФПУ, что значительно снизит цену
ИКС, а также требования к системе охлаждения.
Помимо ограничения динамического диапазона принимаемых сигналов из-за недос-
таточной емкости ячеек схем считывания следует учитывать и ограничения, обуслов-
ленные выходными цепями мультиплексоров. Динамический диапазон современных
мультиплексоров близок к 70...75 дБ [215]. При этом напряжение шума на их выходе
составляет примерно 300 мкВ. Поскольку выходное напряжение мультиплексора огра-
ничено 3 В, для расширения динамического диапазона до 95 дБ уровень шума на выхо-
де должен быть снижен примерно до 55 мкВ. Ожидается, что если оцифровывать вы-
ходной сигнал в мультиплексоре с разрядностью 15... 16 бит и выводить данные в циф-
ровом виде, то чувствительность ИКС будет ограничиваться флуктуациями числа фо-
тонов, а не шумом электронной схемы.
Уменьшение мощности, рассеиваемой выходными каскадами мультиплексора, т.е. на-
грузки системы охлаждения при увеличении частоты кадров, может быть достигнуто не-
сколькими способами [215]. Первый состоит в переходе к выходным схемам с токовым
управлением. Второй заключается в размещении вне охлаждаемого объема буферного
усилителя. Третий состоит в оцифровке сигналов в чипе ФПУ и использовании для пере-
дачи сигналов оптических выходов с маломощными лазерными диодами, эффективность
которых возрастает с понижением температуры. При температурах охлаждения МПИ по-
428 Глава 14. Современное состояние и перспективы развития ИКС
роговый ток лазерной генерации снижается, а информационная полоса частот может за-
метно превышать типичную для транзисторных усилителей полосу частот 10 МГц.
В качестве еще одного способа увеличения динамического диапазона предлагается
высокочастотная пространственная фильтрация в оптической системе ИКС, осуществ-
ляемая до накопления в ячейке зарядов, создаваемых оптическим изображением. По-
скольку большинство естественных фонов, излучение которых вносит основной вклад
в число накапливаемых зарядов, имеет обратно пропорциональный пространственной
частоте или ее квадрату энергетический пространственно-частотный спектр, при высо-
кочастотной пространственной фильтрации, выделяющей контуры изображений или
малоразмерные излучатели, подавляются мощные низкочастотные составляющие спек-
тра просматриваемой сцены.
Аналогичный процесс имеет место в зрительном аппарате человека и ряда живых
существ. При этом подавляется (устраняется) постоянная составляющая потока фото-
нов, образующих оптическое изображение (пьедестал сигнала), которая во многих слу-
чаях превышает информативную переменную составляющую сигнала от сцены в не-
сколько раз. Уже появились так называемые нейроморфологические ФПУ, в который
обработка сигналов позволяет увеличить динамический диапазон более чем на 5 поряд-
ков без необходимости изменять время накопления зарядов. Это очень важно для ИКС,
которые должны следить за высокотемпературными излучателями, например, пламе-
нем двигателей или истекающей из сопла ракеты струей газов, и одновременно за из-
менениями гораздо меньших температур окружающей эти объекты среды.
Аналого-цифровое преобразование на выходе схемы считывания позволяет исполь-
зовать известные преимущества цифровой обработки сигналов, в частности достаточно
отработанные алгоритмы автоматического распознавания. Многоэлементные матрич-
ные приемники позволяют получить почти изотропное разрешение в ортогональной
системе координат, а также осуществлять неоднократную выборку сигнала за время
нахождения изображения на одном элементе приемника.
Развитие ИКС третьего и последующих поколений будет в очень большой степени
зависеть от прогресса в области аппаратного и программного обеспечения цифровой
вычислительной техники. Определяющими факторами при этом являются производи-
тельность процессора, объем памяти и сложность программного обеспечения.
Создание вычислительных систем, способных осуществлять 109 логических опера-
ций в секунду, позволяет довести частоту кадров для крупноформатных ФПУ до 500 Гц
и выше. Не менее важным является обеспечение быстрой обработки огромного объема
информации в случае использования многодиапазонных (многоспектральных) ФПУ и
ИКС. Основной задачей при этом остается достижение высокой однородности пара-
метров и характеристик отдельных элементов МПИ и ФПУ, особенно при динамиче-
ском режиме работы ИКС и быстрых изменениях фоно-целевой обстановки. Высказы-
вается мнение, что традиционные и быстро прогрессирующие технологии кремниевых
интегральных схем не смогут справиться с такими задачами и потребуются принципи-
ально новые решения, например применение трехмерных структур схем считывания и
обработки сигналов.
14.8. Общие тенденции развития ИКС
429
В заключение можно отметить тенденции развития систем отображения, являю-
щихся неотъемлемой частью ОЭСВ, и в частности многих ИКС «смотрящего» типа. К
ним следует отнести прежде всего продолжающееся вытеснение систем на базе ЭЛТ
и электролюминесцентных панелей ЖК-дисплеями и дисплеями на органических све-
тодиодах. Размеры ЖК-экранов продолжают увеличиваться при одновременном росте
их разрешающей способности (более 8 пикселов на 1 мм) и быстродействия (сниже-
ния времени переключения до 5 мс). Такой переход позволяет минимизировать габа-
риты аппаратуры, исключить вредные излучения и уменьшить утомляемость опера-
торов, связанную со строчной разверткой изображения в кинескопах, повысить ре-
сурс аппаратуры. Создание таких дисплеев с угловым полем (полем зрения), близким
к 180°, и улучшенной цветопередачей позволит заметно улучшить условия воспри-
ятия изображения.
Объем продаж плоских мониторов достигает сегодня миллиардов долларов. Основ-
ной вклад в него приходится на ЖК-дисплеи, затем следуют плазменные панели, а по-
сле них - электролюминесцентные индикаторы. Потенциальный рынок плоских мони-
торов не ограничен. По некоторым данным стоимость выпуска СОИ на ЖКД составила
в 2001 г. около 2 млрд долл., а к 2005 г. ожидается ее рост до 17 млрд долл. Прогнози-
руемый объем потребления плоских мониторов ЖКИ и плазменных панелей к 2005 г.
составит 20...25 млрд долл. Разработкой и выпуском плоских мониторов за рубежом
занимаются свыше ста фирм.
Рис. 14.6. Водительский прибор
DVE-1000R
Рис. 14.1. Бинокль VIPER, работающий в
диапазоне 8... 12 мкм
Рис. 14.3. Прицел Lute на базе
диэлектрического микроболометра
Рис. 14.2. Монокуляр НН 750
Thermal Camera
Рис. 14.5. Внешний вид ИКС Poseidon
I
Рис. 14.8. Индивидуальный ИК прибор фирмы «Bullard»
II
Рис. 14.9. Внешний вид ИКС Laird3A
Рис. 14.10. Система промышленного
дистанционного контроля
Radiometric 500 DIGITAL
Рис. 14.11. Серия приборов ImagIR
III
Рис. 14.13. Портативные тепловизоры серии «Сыч»: а) Сыч-1, б) Сыч-2, в) Сыч-3
IV
Рис. 14.14. Диагностическая система
MedVision
Рис. 14.15. Модуль SIM300 Series
MicroIR фирмы «ВАЕ Systems»
Рис. 14.16. Матричный МПИ на базе ФКЯ с
системой охлаждения фирмы «ВАЕ Systems»
Рис. 14.17. Модуль
ES-U20 фирмы «Boeing»
Рис. 14.18. Модульная конструкция ИКС FLAMINGO
фирмы «Semi Conductor Devices»
VI
Рис. 14.19. Отдельные модули и
конструкция одной из ИКС фирмы
«Infrarot-Module GmbH»
Рис. 14.20. Фотоприемное устройство U400:
а) тепловизионный модуль, б) ФПУ с обрабатывающим
сигналом электронным трактом
VII
Рис. 14.21. Обзорная система наблюдения Орлан
Рис. 14.22. Малогабаритный тепловизионный
модуль Ракурс в сочетании с видеокамерой
VIII
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Алеев Р.М., Иванов В.П., Овсянников В.А. Основы теории анализа и синтеза воздуш-
ной тепловизионной аппаратуры. - Казань: Казан, ун-т, 2000. - 252 с.
2. Александров В.А., Кремень Н.В. Автоматическая компенсация неоднородностей ин-
тегральной чувствительности ФПУ тепловизионной системы // Оптич. журнал. - 1997. -
Т. 64, №2. -С. 25-31.
3. Антипин М.В. Интегральная оценка качества телевизионного изображения. - Л.:
Наука, 1970. - 154 с.
4. Арутюнов В.А., Богатыренко Н.Г., Прокофьев А.Е. Инфракрасные ПЗС-матрицы с
барьерами Шотки диапазона 1,2-5,5 мкм с числом элементов 512x512, допускающие раз-
личную компоновку фокальной плоскости // Оптич. журнал. - 1999. Т. 66, № 12. - С. 58-59.
5. Бажанов Ю.В., Берденников А.В., Дучицкий А.С. и др. Объективы для работы с мат-
ричными приемниками излучения в области спектра 8... 14 мкм // Оптич. журнал. - 2002. -
Т. 69, № 12.-С. 35-36.
6. Беляев В. В. Современное состояние рынка и разработок электронных дисплеев // Оп-
тич. журнал. - 1999. Т. 66, № 6. - С. 35-51.
7. Богомолов П.А., Сидоров В.И., Усольцев И.Ф. Приемные устройства ИК-систем. - М.:
Радио и связь, 1987. - 208 с.
8. Бугаенко А.Г Аппаратура для оценки характеристик тепловизионных систем И Оп-
тич. журнал. - 2002. Т. 69, № 4. - С. 19-25.
9. Бугаенко А.Г., Зарипов Р.И. Электронные устройства управления высокоточными
измерительными системами // Оптич. журнал. - 2002. Т. 69, № 4. - С. 26-30.
10. Ветров В.В., Стреляев С.И., Фомичева О.А. Конструктивная реализация тепловых
имитаторов на основе резистивных покрытий // Изв. Тульского гос. ун-та. Сер. Проблемы
специального машиностроения. - 2001. - Вып. 4 (ч. 2). - С. 402-405.
11. Волков В.Г. Малогабаритные телевизионные системы. Обзор № 5591. - М.: НТЦ
«Информтехника», 2000. - 157 с.
12. Волков В.Г. Наголовные приборы ночного видения // Спец, техника. - 2002. - № 5. -
С. 2-15.
13. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений И Спец, техника. - 2002. -
№3.-С.2-8.
14. Волков В.Г. Технология наблюдательных приборов «день/ночь» // Спец, техника. -
2001,-№6.-С. 2-10.
15. Волков В.Г, Ковалев А.В., Федчигиин В.Г. Тепловизионные приборы нового поколе-
ния. Ч. 1 // Спец, техника. - 2001. - № 6. - С. 18-26.
Библиография
431
16. Гейхман И.Л., Волков В.Г. Основы улучшения видимости в сложных условиях. -
М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999.-286 с.
17. ГоссоргЖ. Инфракрасная термография / Пер. с фр. под ред. Л.Н. Курбатова. - М.:
Мир, 1988.-400 с.
18. Грезин А.К., Зиновьев В. С. Микрокриогенная техника. - М.: Машиностроение, 1977. -
232 с.
19. Гринкевич А.В. Оптические системы ночных приборов // Оптич. журнал. - 1999. -
Т. 66, № 12. - С. 17-20.
20. Далиненко Т.Н., Маляров А.В., Вишневский Г.И. и др. Высокочувствительные гиб-
ридные телевизионные приборы на основе электронно-чувствительных ПЗС // Оптич. жур-
нал. - 1996. - Т. 63, № 12. - С. 70-76.
21. Дубиновский А.М, Панков ЭД. Стендовые испытания и регулировка оптико-
электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1986. - 152 с.
22. Ерофейчев В.Г. Инфракрасные фокальные матрицы // Оптич. журнал. - 1996. -
Т. 63, №6.-С. 4-17.
23. Ерофейчев В.Г, Мирошников М.М. Перспективы использования ИК матриц в теп-
ловидении // Оптич. журнал. - 1997. - Т. 64, № 2. - С. 5-13.
24. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в усло-
виях помех). - М.: Сов. радио, 1987. - 368 с.
25. Иванов В.П. Прикладная оптика атмосферы в тепловидении. - Казань: Новое зна-
ние, 2000. - 357 с.
26. Источники и приемники излучения: Учеб, пособие для вузов / Г.Г. Ишанин,
Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Полыциков. - СПб.: Политехника, 1999. - 240 с.
27. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. - М.: Изд-во МГТУ, 2001. - 352 с.
28. Козлов А.Б. Система стабилизации температуры неохлаждаемой болометрической
матрицы // Тр. конференции «Оптика-98». - СПб., 1998. - С. 116-117.
29. Колючкин В.Я., Макаров Ю.С., Мосягин ГМ. Метод и аппаратура контроля качества
тепловизоров // Тепловидение / МИРЭА. - 1988. Вып. 7. - С. 31-34.
30. Коршунова Г.И., Степанов Р.М., Наумов Ю.В., Андреева К.П. Телевизионный пере-
дающий прибор для области спектра 0,4-2,0 мкм // Прикладная физика. - 1999. - № 3. -
С. 96-101.
31. Кощавцев Н.Ф., Кощавцев А.Н., Федотова С.Ф. Анализ перспектив развития при-
боров ночного видения // Прикл. физика. - 1999. - № 3. - С. 66-69.
32. Криксунов Л.З., Падалко ГА. Тепловизоры. Справочник. - Киев: Техшка, 1987. -
166 с.
33. Кругликов С.В., Логинов А.В. Многоэлементные приемники изображения. - Ново-
сибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. - 96 с.
34. Ллойд Дж. Системы тепловидения / Пер. с англ, под ред. А.И. Горячева. - М.: Мир,
1978.-416 с.
35. Луизов А.В. Глаз и свет. - Л.: Энергоиздат, 1983. - 132 с.
36. Луизов А.В., Федорова НС. Число градаций яркости, различимое глазом // ОМП, -
1973.-№ 10.-С. 12-16.
37. Макаров А.С., Омелаев А.И, Филиппов В.Л. Введение в технику разработки и оцен-
ки сканирующих тепловизионных систем. - Казань: Унипресс, 1998. - 318 с.
432
Библиография
38. Максимова Н.Ф., Сагитов К.И., Якушенков Ю.Г. Компьютерная модель тепловизи-
онной системы // Оптико-электронные системы визуализации и обработки оптических изо-
бражений / ЦНИИ «Циклон». - 2001. - Вып. 1. - С. 133-138.
39. Маляров В.Г. Неохлаждаемые тепловые инфракрасные матрицы // Оптич. журнал. -
2002. - Т. 69. № 10. - С. 60-72.
40. Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. - Л.: Ма-
шиностроение, 1983. - 696 с.
41. Мухамедяров Р.Д. Аэрокосмический мониторинг технического состояния подзем-
ных и наземных инженерных сооружений // Оптич.журнал. - 2002. - Т. 69, № 4. - С. 11-18.
42. Мухамедяров Р.Д., Терехов А.Я., Хисамов Р.Ш и др. Вертолетные видеотепловизи-
онные комплексы оперативного экологического мониторинга // Оптич. журнал. — 2002. -
Т. 69,№4.-С. 41-47.
43. Никулин О.Ю., Петрушин А.Н. Системы телевизионного наблюдения. —М.: Оберег-
РБ, 1997. - 168 с.
44. Ольгин С. Многофункциональная оптоэлектронная система наблюдения для ВМС
Израиля // Зарубежное военное обозрение. - 2002. - № 6. - С. 49-50.
45. Петров В.А. Контроль качества и испытание оптических приборов. - Л.: Машино-
строение, 1985.-222 с.
46. Порфирьев Л.Ф., Комарова И.Э., Кузнецов Г.М. Некоторые перспективы примене-
ния оптико-электронных приборов для оперативного дистанционного мониторинга экоси-
стем // Изв. вузов. Сер. Приборостроение. - 2002. - Т. 45, № 2. - С. 5-12.
47. Прэтт У. Цифровая обработка изображений: В 2 кн. / Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. -
Кн. 1.312 с.; Кн. 2. 480 с.
48. Проектирование оптико-электронных приборов - 2-е изд. перераб. и доп. /
Ю.Б. Парвулюсов, С.А. Родионов, В.П. Солдатов и др.; Под ред. Ю.Г.Якушенкова. - М.:
Логос, 2000. - 488 с.
49. Роуз А. Зрение человека и электронное зрение: Пер. с англ. - М.: Мир, 1977. - 216 с.
50. Соломатин В.А. Системы контроля и измерения с многоэлементными приемника-
ми. - М.: Машиностроение, 1992. - 128 с.
51. Справочник по инфракрасной технике: В 4 т. / Под ред. У. Волфа и Г. Цисиса; Пер. с
англ. Н.В. Васильченко, В.А. Есакова и М.М. Мирошникова. -М.: Мир, 1995-1999.
52. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Многоспектральные оптико-электронные системы И
Спец, техника. - 2002. № 4. - С. 56-62.
53. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Тенденции развития тепловизионных систем второго
и третьего поколений и некоторые особенности их моделирования (по материалам зарубеж-
ной печати) // Оптико-электронные системы визуализации и обработки оптических изобра-
жений / ЦНИИ «Циклон». - 2001. - Вып. 1. - С. 3-18.
54. Таубкин И.И., Тришенков М.А. Предельная чувствительность и информативность
тепловизоров и других оптико-электронных преобразователей изображения // Оптич. жур-
нал. - 1996. - Т. 63, №6.-С. 18-41.
55. Таубкин И.И., Тришенков МА. Сравнительная оценка информативности визуальных
и тепловизионных методов наблюдения в условиях теплового баланса Земли // Оптич. жур-
нал.-1995,-Т. 62, №4.-С. 11-18.
56. Томилин М.Г. Нашлемные дисплеи // Оптич. журнал. - 1999. - Т. 66, № 6. - С. 81-87.
Библиография
433
57. Устройства для охлаждения приемников излучения / Е.И. Антонов, В.Е. Ильин,
Е.А. Коленко и др. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1969. - 247 с.
58. Федоров В.Ю., Кулакова Р.И., Лазарев М.Д. и др. Электронно-оптические преобра-
зователи с сеточными электродами. Основные характеристики и перспективы развития //
Спец, техника. - 2002. - № 5. - С. 17-19.
59. Широбоков А.М., Барбашов Е.А., Кавелин Н.Н., Чуйкип В.М. Использование много-
спектрального тепловизора «Терма-2» для контроля магистральных нефтепроводов // Изв.
вузов. Сер. Приборостроение. - 2002. - Т. 45, № 2. - С. 12-16.
60. Шульман М.Я. Измерение передаточных функций оптических систем. - Л.: Маши-
ностроение, 1980. - 208 с.
61. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. - М.: Логос, 2004. -
480 с.
62. D'Agostino J.A. Three dimensional noise analysis framework and measurement
methodolodgy for imaging system noise // SPIE Proc. - 1991. - V. 1488. - P. 110-116.
63. Almasri M.F., Celik-Butler Z., Butler D.P. et al. Semiconducting YBaCuO microbolometers
for uncooled broadband IR sensing И SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 264-273.
64. Anderson J.S., Bradley D„ Chen C.W. et al. Low-cost microsensors program // SPIE Proc. -
2002.-V. 4719.-P. 107-112.
65. Anderson J.S., Kostrzewa T., Cook L.G. et al. Integrated imaging sensors // SPIE Proc. -
2001.-V. 4369.-P. 14-24.
66. Angebault L.P., Gerin N., Maze P. et al. IRCCD cooled with thermoelectric cooler // SPIE
Proc. - 1994. - V. 2225. - P. 418-427.
67. Anselm K.A., Ren H., Vilela M. et al. Long-wave infrared InAs/InGaSb type-II
superlattice photovoltaic detectors // SPIE Proc. - 2001. - V. 4228. - P. 183-190.
68. Arnold N.J. A real-time synthetic image generator for quantifying the performance of
infrared imagers I I SPIE Proc. - 1995. - V. 2553. - P. 436-450.
69. Au R.H. Optical window materials for hypersonic flow // SPIE Proc. - 1989. - V. 1112,-
P. 330-339.
70. Austin D.E., Hepfer K.C., Rudzinsky IV.R. Use of NSWCDD weather databases for
prediction of atmospheric transmission in common thermal imaging sensor bands // Naval Surface
Warfare Center Report. - Dahgren VA: 1995. - NSWCDD/TR-94/89.
71. Baars J., Schulz M. Performance characteristics, measurement procedures, and figures of
merit for infrared focal plane arrays // SPIE Proc. - 1995. - V. 2470. - P. 141-155.
72. Balcerak R.S. Uncooled IR imaging: technology for the next generation // SPIE Proc. -
1999.-V. 3698.-P. 110-117.
73. Balcerak R.S. Uncooled infrared sensors rapid growth and future perspective // SPIE Proc. -
2000. - V. 4028. - P. 36-39.
74. Bandara S.V., Gunapala S.D., Liu J.K. et al. Large format, broadband and multi-color
GaAs/AlGaAs quantum well infrared photodetector (QWIP) focal plane arrays // SPIE Proc. -
2001.-V. 4454.-P. 30-39.
75. Barrios S.R., Kwok R., McMullen J.D., Teague J.R. Staring infrared panoramic sensor
(SIRS) for surveillance and threat detections // SPIE Proc. - 1997. - V. 3061. - P. 585-590.
76. Baxter C.R., Massie M.A., McCarley P.L. et al. MIRIADS - miniature infrared imaging
applications development system description and operation // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. -
P. 129-139.
434
Библиография
77. Belcher J.F., Hanson C.M., Beratran HR. Uncooled monolitic ferroelectric IR FPA
technology // SPIE Proc. - 1998. - V. 3436. - P. 611-622.
78. Bell W.A., Glasgow B.B. Impact of advances in imaging infrared detectors on anti-aircraft
missile performance//SPIE Proc. - 1999. - V. 3701. - P. 244-25311.
79. Bendall I. Automated objective minimum resolvable temperature difference I I SPIE Proc. -
2000. - V. 4030. - P. 50-59.
80. Betz A.L., Boreiko R.T. Space applications for HgCdTe at FIR wavelengths between 50-
150 pm // SPIE Proc. - 2001. - V. 4454. - P. 1-9.
81. Beystrum T., Jacksen N., Sutton M. et al. Low cost 320x240 Lead Salt focal plane array II
SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 96-104.
82. Bigwood C.R. Advantages of hybrid optics in high numerical aperture IR lenses for
uncooled detector arrays // SPIE Proc. - 1999. - V. 3737. - P. 269-279.
83. Bijl P., Hogervorst M.A., Valeton J.M. TOD, NVTherm and TRM3 model calculation: a
comparison // SPIE Proc. - 2002. - V. 4719. - P. 51-62.
84. Bijl P., Valeton J.M., Hogervorst M.A. Critical evaluation of test patterns for EO system
performance characterization // SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 27-38.
85. Bijl P., Valeton J.M. TOD, a new method to characterize electro-optical system
performance // SPIE Proc. - 1998. - V. 3377. - P. 182-193.
86. Birkemark CM. CAMEVA: a methodology for computerized evaluation of camouflage
effectiveness and estimation of target detectability // SPIE Proc. - 1999. - V. 3699. - P. 229-238.
87. Brady J., Schimert T., Ratcliff D. et al. Advances in amorphous silicon uncooled IR
systems // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 161-167.
88. Breen T, Kohin M., Marshall C.A. et al. Even more applications of uncooled
microbolometer sensors // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 308-319.
89. Breiter R., Cabanski W., Koch R. et al. Focal plane arrays: MCT, quantum wells, PtSi /I
SPIE Proc. - 1998. - V. 3436. - P. 359-374.
90. Breiter R., Cabanski W., Koch R. et al. High resolution QWIP and MCT FPA modules at
AIM И SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 397-406.
91. Breiter R., Cabanski W., Mauk K.-H. et al. Portable sequential multicolor thermal imager
based on a MCT 384*288 focal plane array И SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 579-587.
92. Brown D., Daniel B., Horikiri T. et al. Advances in high- performance sensors for military
and commercial market // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 419—426.
93. Brown J.C., Horn S.B. Microsensor Technology: the array’s future force multiplier //
SPIE Proc.- 1998. - V. 3698. - P. 634-639.
94. Butler D.P., Jahanzeb V.A., Schan PC. et al. IR detection at room temperature using
semiconducting УВа2СизО 6-х II SPIE Proc. - 1996. - V. 2816. - P. 46-60.
95. Butler N.R. Ambient temperature IR focal plane arrays // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. -
P. 58-65.
96. Cabanski W., Breiter R., Koch R. High resolution focal plane array IR detection modules
and digital signal processing technologies at AIM // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 113-121.
97. Cabanski W., Breiter R., Koch R. et al. Third generation focal plane array IR detection
modules at AIM // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 547-558.
98. Cabanski W., Breiter R., Mauk K.-H. et al. Miniaturized high performance staring thermal
imaging system // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 208-219.
Библиография
435
99. Cabelli С.А., Cooper D.E., Haas A. et al. Latest results of HgCdTe 2048x2048 and
silicon focal plane arrays // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 331-342.
100. Cannata R.F, Hansen R.J., Costello P.N. Very wide dynamic range SWIR sensors for
very low background application // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 756-765.
101. Cederquist J.N., Schwartz C.R. Speculation on the future of infrared spectral remote
sensing // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 626-633.
102. Chen L., Hewitt M., Gulbransen D. et al. Overview of advances in high performance
ROIC designs for use with IRFPAs // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 124-138.
103. Choi K.K., Lin C.H., Leung K.M. et al. QWIP structual optimization // SPIE Proc. -
2002. - V. 4795. - P. 27-38.
104. Chorier P., Tribolet P.M. High-performance HgCdTe SWIR detector development at
SOFRADIR // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 698-712.
105. Cochrane D.M., Manning P.A., Wyllie T.A. Uncooled thermal imaging sensors for UAV
application // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 168-177.
106. Couture M.E. Challenges in IR optics // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 649-661.
107. Cox J.R. Application of diffractive optics to infrared imagers // SPIE Proc. - 1995. -
V. 2552.-P. 304-312.
108. Dahlberg A.GM., Johansson S. QWIP sensors in military applications // SPIE Proc. -
2000. - V. 4030. - P. 114-123.
109. Davis M., Smith B., Grebe D. et al. The characterization of MWIR thermal imaging
systems // SPIE Proc. - 1999. - V. 3701. - P. 308-321.
110. Demro J.C., Barton J.B. Galileo. A modular mid- and long-wave infrared camera //
SPIE Proc. - 1997. - V. 3063. - P. 237-238.
111. Devitt N., Driggers R.G., Vollmerhausen R., Maurer T. The impact of display artifacts
on target identification // SPIE Proc. - 2002. - V. 4719. - P. 24-33.
112. Driggers R.G., Vollmerhausen R., Edwards T. The target identification performance of
infrared imager models as a function of blur and sampling // SPIE Proc. - 1999. - V. 3701. -
P. 26-34.
113. Driggers R.G., Vollmerhausen R., О’Kane B. Sampled imaging sensor design using
the MTF squeeze model to characterize spurious response // SPIE Proc. - 1999. - V. 3701. -
P. 61-73.
114. Driggers R.G., Webb C, Pruchic S.J. et al. Laboratory measurement of sampled infrared
imaging system performance // Opt. Eng. - 1999. - V. 38, № 5. - P. 852-861.
115. Edwards T.C., Vollmerhausen R. Recent improvements in modeling time limited
search // SPIE Proc. - 2002. - V. 4719. - P. 42-50.
116. Electro-optical imaging: system performance and modeling / Ed. by L.C.Biberman.
Bellingham, Washington, US: SPIE, 2000. - 1253 p.
117. Etienne-Cummings R., Gruev D.I., Clapp M. High-resolution focal plane image
processing // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 610-619.
118. Ettenberg M.H., Lange M.J., O'Grady M.T. et al. A room temperature 640^512 pixel
near-infrared InGaAs focal plane array // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 201-208.
119. Fawcett J. Lightweight surveillance FLIR//SPIE Proc. - 1991.-V. 1498.-P. 82-91.
120. Finfrock D.K. Design and installation of thermoelectric thermal reference sources
(TTRS) in infrared systems // SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 143-153.
436
Библиография
121. Foote М.С., Gaalema S.D. Progress toward high-performance thermopile imaging
arrays // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 350-354.
122. Fossum E.R., Pain B. Infrared readout electronics for space science sensors: state of the
art and future directions // SPIE Proc. - 1993. - V. 2020. - P. 262-285.
123. Francisco G.L. Amorphous silicon bolometer for fire/rescue // SPIE Proc. - 2001. -
V.4360.-P. 138-148.
124. Friedenberg A., Goldblatt I. Nonuniformity two-point linear correction errors in infrared
focal plane arrays // Opt. Eng. - 1998. - V. 37, № 4. - P. 1251-1253.
125. Giroux J., Legault J.-F., Montembealt Y. et al. Optical design of an hyperspectral imager
from 1 to 12 pm // SPIE Proc. - 2002. - V. 4719. - P. 144-155.
126. Glasser C., Beystrum T.R., Himoto R. et al. Architecture of a multichannel multispectral
imaging processor // SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 105-113.
127. Goldberg A.C., Fisher T., Kennerly S.W. et al. Dual band QWIP MWIR/LWIR focal
plane array test results // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 276-284.
128. Goldberg A.C, Kennerly S.W. Little J.W. et al. Comparison of HgCdTe and quantum-
well infrared photodetector dual-band focal plane arrays // Opt. Eng. - 2003. - V. 42, № 1. -
P. 30-46.
129. Greiner M.E., Davis M., Sanders J.G. Resolution performance improvements in
staring imaging systems using micro-scanning and a reticulated, selectable fill factor InSb
FPA // Report Cincinnatti Electronics Corp. SF 298, Mason. - Ohio, USA: IRIS Conference,
Febr. 1999.-P. 1-15.
130. Grezin V., Dengin V., Lyapin V. Results of the development of modular microcryogenic
systems // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 51-57.
131. Gross W, Hierl T, Shule M., High J. Correctability of the spatial nonuniformity in
various infrared focal plane arrays // SPIE Proc. 1998. - V. 3436. - P. 203-213.
132. Gunapala S.D. , Bandara S.V., Bock J. et al. Large format long-wavelength
GaAS/AlGaAs multi-quantum well infrared detector arrays for astronomy // SPIE Proc. - 2001. -
V.4288.-P. 278-285.
133. Gunapala S.D. , Bandara S. V, Liu J.K. et al. Recent developments and applications of
quantum well infrared photodetector focal plane arrays // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 262-275.
134. Gunapala S.D., Kukkonen C.A., Sirangelo M.N. et al. QWIP technology for both military
and civilian applications // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 498-505.
135. Gurnee M.N., Kohin M., Blackwell R. et al. Developments in uncooled IR technology at
BAE SYSTEMS // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 287-296.
136. Hanson C.M. Uncooled IR detector performance limits and barriers // SPIE Proc. -
2000.-V. 4028.-P. 2-11.
137. Heaney J.B., Alley P. W., Bradley S.E. Catalog of infrared and cryo-optical properties for
selected materials // SPIE Proc. - 1991. - V. 1485. - P. 140-159.
138. Helmet-mounted displays: design issues for rotary-wing aircraft / Ed. by C.E.Rash. -
Bellingham: SPIE Press, 1999. - 258 p.
139. Hess G.T., Sanders T.J., Newsome G.W. et al. Focal plane array design using IR-SIM
software system // SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 85-95.
140. Hirota M., Satou F., Saito M. et al. Thermoelectric infrared imager and automotive
applications // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 312-321.
Библиография
437
141. Hoelter T.R., Retronio S.M., Carralejo R.J. et al. Flexible high performance IR camera
systems // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 837-846.
142. Holst G.C. Electro-optical imaging system performance: 2nd ed./SPIE vol.PM-84. -
Winter Park, FL: JCD Publishing, 2000. - 438 p.
143. Holst G.C. CCD arrays, cameras, and displays: 2nd ed. - Winter Park, FL: JCD
Publishing, 1998. - 378 p.
144. Holst G.C. Testing and evaluation of infrared imaging systems: 2nd ed. - Winter Park,
FL: JCD Publishing, 1998. - 422 p.
145. Horman S.R., Headley P.M., Zurasky M.W. et al. Seaborne electro-optical sensors and
their technolodgies // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 121-23.
146. Horn S.B., Lohrmann D., Campbell J. et al. Uncooled IR technology and applications //
SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 222-234.
147. Horrigan T.J. Assessing the search and detection problem via the FLIR - Target
Acquisition Model (FTAM) // SPIE Proc. - 2000. - V. 4029. - P. 197-204.
148. Houlbrook A. W., Gilmore M.A., Moorhead J.R. et al. Scene simulation for camouflage
assessment // SPIE Proc. - 2000. - V. 4029. - P. 247-255.
149. Howe J.D. Thermal imaging systems modeling - present status and future challenges //
SPIE Proc. - 1994. - V. 2269. - P. 538-550.
150. Hubbs J.E., Arrington D.C., Gramer M.E., Dole G.A. Nonlinear response of quantum
well infrared photodetectors under low-background and low-temperature conditions // Opt. Eng. -
2000. - V. 39, № 10. -P. 2660-2671.
151. Infrared and Electro-Optical System Handbook / Ed. by J.S.Accetta and D.L.Shumaker. -
Bellingham: SPIE Proc., 1993. - 3024 p.
152. Irwin A., Nicklin R.L. Standard software for automated testing of infrared images, IR
Windows™ in practical applications // SPIE Proc. 1998. - V. 3377. - P. 206-217.
153. Irwin A., Oleson J., Robinson R. MIRAGE: calibration radiometry system // SPIE Proc. -
2000.-V. 4030.-P. 77-83.
154. Ishizuya T., Suzuki J., Akagawa K. et al. Optically readable Bi-material infrared
detector // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 342-349.
155. Ivanov V.P., Belozerov A.F. Work of the Federal Scientific and Production Center (NPO
GIPO) in the region of IR technologies // SPIE Proc. - 2002. - V. 4369. - P. 58-80.
156. Jacobs E., Cha J., Edwards T. et al. Dynamic MRTD simulation // SPIE Proc. - 2000. -
V. 4030.-P. 70-76.
157. Jacobs E.L., Cha J, Krapels K.A. Assessment of 3D noise methodology for thermal
sensor simulation // SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 154-161.
158. Jacobs P.A. Thermal infrared characterization of ground targets and backgrounds // SPIE
Tutorial Texts in Optical Engineering, V. TT26. Bellingham, Washington. - 1996.
159. Jaggi S. ATTIRE - a thermal sensor simulation package // SPIE Proc. - 1992. -
V. 1689.-P. 285-296.
160. Jane’s Electro-Optic Systems. 2002-2003 / Ed. By K. Atkin: 8-th ed. - Coulsdon,
Surrey: CR5 2YH, UK, 2003. - 680 p.
161. Janesick J. Lux transfer: complementary metal oxide semiconductors versus charge-
coupled devices//Opt. Eng. -2002. - V. 41, № 6. -P. 1203-1215.
162. Jiang H., Lin J. Microdisplays based on III - nitride wide band-dap semiconductors put
the future in our hands // SPIE OE Magasine. - 2001. - July. - P. 28-29.
438
Библиография
163. Jindall В.К. Result of a two-color detector array in bulk mercury cadmium telluride //
SPIE Proc. - 1994. - V. 2225. - P. 278-288.
164. Johnson C.B. Review of electron bombarded CCD cameras // SPIE Proc. - 1998. -
V. 3434.-P. 46-53.
165. Johnson J. Analysis of image forming systems // Proc, of Image Intensifier Symposium,
1958.-P. 249-273.
166. de Jong A.N., Winkel H., Ghauharali RJ. IR sensor performance testing with a double-
slit method // SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 1-11.
167. Kauffman C., Madigan J., Pfister W. Static image system MRTD modeling // SPIE Proc. -
1998.-V. 3377.-P. 83-88.
168. Kennedy H.V. Modeling second-generation thermal imaging systems // Opt. Eng. -
1991.-V. 30, № 11.-P. 1771-1778.
169. Kennedy McEwen R., Manning P.A. European uncooled thermal imaging sensors И SPIE
Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 322-337.
170. Kennerly S.W., Little J.W., Goldberg A.C., Leavitt R.P. A new advanced two-color
(MW/LW) infrared detector and focal plane array design using InGaAs/InAlAs quantum-well
infrared photodetectors on InP substrates // SPIE Proc. - 2001. - V. 4454. - P. 19-29.
171. Kim H.S., Yu W.K., Park Y.C. et al. Compact MWIR camera with *20 zoom optics //
SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 673-679.
172. Kimata M., Ozeki T, Tsubouchi N., Ito S. PtSi Schottky-barrier infrared focal plane
arrays // SPIE Proc. - 1998. - V. 3508. - P. 2-12.
173. Kimata M., Yagi H., Ueno M. et al. Silicon infrared focal plane arrays // SPIE Proc. -
2001. - V. 4288. - P. 286-297.
174. Kinch M.A. HD VIP™ FPA technology at DRS Infrared Technologies // SPIE Proc. -
2001. - V. 4369. - P. 566-578.
175. Kiyota Y. Most suitable non-uniformity correction method for PtSi SBD detector // SPIE
Proc. - 1998.-V. 3377.-P. 114-121.
176. Klemme B.J., Jung T.M., Carter A. C. et al. A 1 cm collimated source for use in infrared
calibrations // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 411-419.
177. Knauth J.P., Balick S.M. Nonthermally stabilized operation of a microbolometer for
rapid turn-on // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 257-263.
178. Kneizys F.X., Shuttle E.P., Abreau L. W. et al. Users guide to LOWTRAN 7. - Hanskom
AFB, MA: Air Force Geophysical Laboratory Report AFGL-TR-88-0177, 1988.
179. Kopeika N.S., Bordegna J. Background noise in optical communication systems // IEEE
Proc. - 1970. - V. 58, № 10. - P. 1571-1577.
180. Kopeika N.S., Kogan L, Israeli R., Dinstein I. Prediction of image quality through the
atmosphere: The dependence of atmospheric modulation transfer function on weather // Opt. Eng. -
1990. - V. 29, № 2. - P. 1427-1438.
181. Koshchavtsev N.F. Night vision devices and image intensifier tubes // SPIE Proc. -
2001.-V. 4369.-P. 81-85.
' 182. Kostrzewa J., Meyer W., Kraemer D. et al. Overview of the UL3 Omega™ uncooled
camera and its applications // SPIE Proc. - 2002. - V. 4719. - P. 189-195.
183. Kozlowski L.J., Vural K, Arias J.M. et al. Performance of HgCdTe, InGaAs and quantum
well GaAs/AlGaAs staring infrared focal plane arrays // SPIE Proc. - 1997. - V. 3182. - P. 2-13.
Библиография
439
184. Kruse Р. W. Uncooled IR focal plane arrays // SPIE Proc. - 1995. - V. 2552. - P. 556-
563.
185. Kurbitz G., Fritze J., Hofft J.-R. et al. The ATTICA family of thermal cameras in
submarine applications 77 SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 185-193.
186. Landry J. W., Stetson N.B. The Infra CAM™. A versatile platform // SPIE Proc. - 1997. -
V. 3063. - P. 257-268.
187. Latimer D.G., Fantozzi L.R. Fast 8—12 mkm objectives utilizing multiple aspheric
surfaces // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 882-889.
188. LeBlanc R. Infrared focal plane array modeling 7/ SPIE Proc. - 1990. - V. 1309. - P. 27-39.
189. Lee Т.-S., Shie J.-S. Feasibility study on low-resolution uncooled thermal imagers for
home-security applications 7/ Opt. Eng. - 2000. - V. 3, № 6. - P. 1431-1440.
190. Liu H.C. QWIP characteristics, performance, advantages, opportunities, and issues 7/
SPIE Proc. - 1998. - V. 3553.-P. 123-131.
191. Liu H.C., Song C.Y., Shen A. et al. Quantum well infrared detection devices И SPIE Proc. -
2001.-V. 4228.-P. 130-150.
192. Liu Xinging, Gao Zhon, Deng Nianwao. A novel imaging system with superresolution //
SPIE Proc. - 1998. - V. 3505. - P. 102-107.
193. Lucey P., Williams T.J., Hinrichs J.L. et al. Three years of operation of AHI: the
University of Hawaii's Airborne Hyperspectral Imager 7/ SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. -
P. 112-120.
194. de Lyon T.J., Rajavel R.D., Roth J.A. et al. Advances in HgCdTe-based infrared detector
materials: the role of molecular-beam epitaxy 77 SPIE Proc. - 2001. - V. 4454. - P. 47-59.
195. Mann A. Infrared zoom lenses in the eighties and beyond И SPIE Proc. - 1991. -
V. 1540.-P. 338-343.
196. Marquic M. Two-parameter atmospheric model for ACQUIRE // SPIE Proc. - 1995. -
V. 2470.-P. 466-470.
197. Martijn H.H., Andersson J.Y. On-chip analog to digital conversion for cooled infrared
detector arrays // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 183-191.
198. Massie A.A. A complete end-to-end infrared sensor cad system - the key to affordable
focal plane designs /7 Proc. IRIS Passive Sensors. - 1999. - V. 1. - P. 185-191.
199. Maurer T., Driggers R.G., Vollmerhausen R., Friedman M. 2002 NVTherm
improvements 7/ SPIE Proc. - 2002. - V. 4719. - P. 15-23.
200. McHugh S.W., Irwin A., Valeton J.M., Bijl P. TOD test method for characterizing
electro-optical system performance // SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 39-45.
201. Melzer J.E., Moffitt К Head mounted displays. Designing for the user. - N.-Y.:
McGrow-Hill, 1997. - 352 p.
202. Middlebrook C.T., Smith J.G. Testing and evaluation of tactical electro-optical sensors /7
SPIE Proc. - 2002. - V. 4719. - P. 134-143.
203. Miller J.L., Duvoisin H, Wiltsey G. Applications and performance of an uncooled
infrared helmetcam /7 SPIE Proc. - 1998. - V. 3436. - P. 566-571.
204. Military Weather Calculations for the NATO Theater: Weather and Warplanes VIII //
RAND Corp. Report R-2401-AF, 1980.
205. Milton O.J., Walker R.M., McMillan R.W. A compact, uncooled, long-wave infrared
bolometer camera 7/ SPIE Proc. - 2002. - V. 4719. - P. 167-171.
440
Библиография
206. Mohseni Н, Wei Y., Razeghi M. High performance InAs/GaSb // SPIE Proc. - 2001. -
V.4288.-P. 191-208.
207. Morozova S.P., Morozov P.A. High precision blackbody sources and facilities developed
at VNIIOFI, Russia // SPIE Proc. - 2002. - V. 4710. - P. 1-8.
208. Mottin E., Martin J.-L., Ouvrier-Buffet J.-L. et al. 320х240 microbolometer uncooled
IRFPA // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 40-46.
209. Murguia J.E., Reeves T.D., Mooney J.M. et al. A compact visible/near infrared
hyperspectral imager // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 457-468.
210. Murphy R., Kohin M., Backer B. et al. Recent developments in uncooled IR
technology // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 12-16.
211. Murphy R., Ray M., Wyles R. et al. High sensitivity (25 pm pitch) microbolometer
FPAs // SPIE Proc. - 2001. - V. 4454. - P. 147-159.
212. Naveh O. Sensitivity of scanning and staring infrared seekers for air - to - air missiles //
SPIE Proc. - 1997. - V. 3061. - P. 692-711.
213. Noda M., Mukaigawa T, Hashimoto K. et al. A new type of dielectric bolometer mode
of detector pixel using ferroelectric thin film capacitors for infrared image sensors // SPIE Proc. -
1998. - V. 3436. -P. 660-667.
214. Norton P.R. Infrared in the next millennium // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 652-665.
215. Norton P., Campbell J., Horn S., Reago D. Third-generation infrared imagers // SPIE
Proc. - 2000. - V. 4130. - P. 226-235.
216. Norton P, Mao M., Perazzo T. et al. Micro-optomechanical infrared receiver with
optical readout - MIRROR // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 72-78.
217. Ovsyuk V.N., Sidorov Yu.G., Vasilyev V.V. et al. IR photodetector arrays based on
HgCdTe films and GaAs/AlGaAs multiquantum wells // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. -
P. 86-93.
218. Owen P.R, Chambliss M.A., Todd J.W. Development of automated procedures for
expedient and cost-efficient acceptance testing of imaging infrared systems // SPIE Proc. - 2000. -
V. 4030. - P. 42-49.
219. Owens M., Wellfare M.R., Foster J. et al. Irma 5.0 multi-sensor signature prediction
model // SPIE Proc. - 1999. - V. 3699. - P. 249-267.
220. Petrovsky G. T. Fundamental problems of IR optics and optical industry // SPIE Proc. -
2001. - V. 4369. - P. 43-50.
221. Phong L.N, Shin I. Low temperature thermoelectric coolers for infrared detectors // SPIE
Proc. - 1998. - V. 3436. - P. 824-831.
222. Picard F., Jerominek H, Pope T.D. et al. Nonimaging applications for microbolometer
arrays // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 274-286.
223. Pollehn H.K., Ahearn J. Multi-domain smart sensors // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. -
P. 420-426.
224. Ponomarenko V.P., Filachev A.M. Linear and matrix IR detectors at RD&P Center
Orion // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 25-42.
225. Radford W., Murphy D., Finch A. et al. Microbolometer uncooled infrared camera with
20 mK NETD // SPIE Proc. - 1998. - V. 3379. - P. 22-35.
226. Ratches J.A. Night vision modeling: historical perspective // SPIE Proc. - 1999. -
V. 3701.-P. 2-12.
Библиография
441
227. Ratches J.A., Lawson W.R., Obert L.P. et al. Night Vision Laboratory static performance
model for thermal viewing systems // Rep. ECOM AD-A011212. - Fort Monmouth, NJ, 1973.
228. Ratliff B.M., Hayat M.M., Hardie R.C. Algebraic scene-based nonuniformity correction
in focal plane arrays // SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 114-124.
229. Rayces J.L., Levich L. Thermal compensation of infrared achromatic objectives with
three optical materials // SPIE Proc. - 1990. - V. 1354. - P. 752-759.
230. Reago D.A., Horn S., Campbell J., Vollmerhausen R. Third generation imaging sensor
system concepts // SPIE Proc. - 1999. - V. 3701. - P. 108-117.
231. Rehm R., Schneider H, Schwarz K. et al. Responsivity and gain of InGaAs/GaAs-
QWIPs and GaAs/AlGaAs-QWIPs: a comparative study // SPIE Proc. - 2001. - V. 4288, -
P. 379-385.
232. Reichenbach S.E. Restoration and range performance in FLIR imaging systems //
Infrared Phys, and Technology. - 1997. — V. 38, № 3. - P. 177—192.
233. Reine M.B. HgCdTe photodiodes for IR detection: a review // SPIE Proc. - 2001. -
V. 4288.-P. 266-276.
234. Riedl G., Asset M., Fendt A. et al. IR focal plane array seekers for ground-to-ground and
air-to-round missiles // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 201-209.
235. Rogdlski A. GaAs/AlGaAs quantum well infrared photoconductors versus HgCdTe
photodiodes for long-wavelength infrared application // SPIE Proc. - 1994. - V. 2225. - P. 118-129.
236. Rogers P.J. Athermalization of IR optical systems. - Bellingham: SPIE Critical
Reviews. - 1997. - V. CR 38. - P. 69-89.
237. Rogers P.J. Compact multispectral optics with switchable fields of view // SPIE Proc. -
1999. - V. 3737. - P. 261-268.
238. Rogne T.J., Hall C.S., Freeling R. et al. U.S. Army tank-automotive command
(TACOM) thermal image model (TTIM) // SPIE Proc. - 1989. - V. 1110. - P. 210-219.
239. Rosell F.A. Predicting the performance of infrared staring arrays I I SPIE Proc. - 1992. -
V. 1762.-P. 278-307.
240. Rosenberg N. GASIEL - a useful tool for operational performance predictions // SPIE
Proc. - 1988. - V. 1038. - P. 610-622.
241. Rosenfeld D. Second-generation detector work in Israel // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. -
P. 467-474.
242. Ross B.A., Black S.H. Advances in high-performance cryocoolers and production
variants at Raytheon Infrared Operations // SPIE Proc. — 2001. — V. 4369. — P. 427—435.
243. Ruey-Nan Yen, Ing-Song Lin, Shiunn-Horn Yeh et al. High performance 256x244 PtSi
Schottky-barrier IRCCD imager // SPIE Proc. - 1998. - V. 3377. - P. 148-154.
244. Runciman H.M. Influence of technology on FLIR waveband selection // SPIE Proc. -
1995. - V. 2470. - P. 156-167.
245. Sanders J.S., Brown S.D. Utilization of DIRSIG in support of real-time infrared scene
generation // SPIE Proc. - 2000. - V. 4029. - P. 278-285.
246. Sanders J.S., Johnson K.R., Curran A.R., Rynes P.L. Ground target infrared signature
modeling with the multi-service electro-optic signature (MuSES) code // SPIE Proc. - 2000. -
V.4029.-P. 197-204.
247. Scherr L.M., Orlando HO., Hall J. T, Goodfrey T.E. Narcissus considerations in optical
designs for infrared staring arrays // SPIE Proc. - 1996. - V. 2864. - P. 442-452.
442
Библиография
248. Schulz М., Caldwell L. Nonuniformity correction and correctability of infrared focal
plane arrays // SPIE Proc. - 1995. - V. 2470. - P. 200-211.
249. Scribner D.A., Schuler J.M., Warren P. et al. Image preprocessing for the infrared П
SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 222-233.
250. Shepherd F.D., Murguia J.E. A comparison of infrared detection mechanisms in
thermal-emissive vs. photo-emissive silicon Schottky barrier arrays // SPIE Proc. - 2000. -
V. 4028.-P. 90-101.
251. Soel M. High-end infrared imaging sensor evaluation system // SPIE Proc. - 2002. -
V. 4719.-P. 172-198.
252. Stedham M.A., Banerjee P.P. The panoramic annular lens attitude determination system
(PALADS) // SPIE Proc. - 1995. - V. 2466. - P. 108-117.
253. St-Germain D., Chevrette P. MRTD objective measurement for IR systems - SPIE Proc. -
1998.-V. 3377.-P. 175-181.
254. Stewart S.R., Lyons J.T., Horvath R. Simulated Infrared Imaging (SIRIM): a user’s tool
for simulating target signatures // SPIE Proc. - 2000. - V. 4029. - P. 285.
255. Sundaram M., Wang SC. 2-color QWIP FPAs // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. -
P. 311-317.
256. Talmore E. T. CiNeRaMa model: a useful tool for detection range estimate - SPIE Proc. -
V. 1442.-P. 362-371.
257. Thomas P.J., Savchenko A., Sinclair P. et al. Offset and gain compensation in an
integrated bolometer array // SPIE Proc. - 1999. -V. 3698. - P. 826-835.
258. Tidrow M.Z., Clark III W. W., Tipton W. et al. Uncooled infrared detectors and focal
plane arrays // SPIE Proc. - 1998. - V. 3553. -P. 178-187.
259. Tissot J.-L., Chatard J.P., Mottin E. Technical trends in amorphous silicon based
uncooled IR focal plane arrays // SPIE Proc. - 2002. — V. 4820. - P. 220-226.
260. Tribolet P., Chorier P., Manissadjian A. et al. High performance infrared detectors at
Sofradir // SPIE Proc. - 2000. - V. 4028. - P. 438-456.
261. Tribolet P., Compain V., Boch R. High performance MCT LWIR and MWIR staring
array for high frame rate applications // SPIE Proc. - 1996. - V. 2744. - P. 371-392.
262. Uroombout L.O. Second generation thermal imaging system design trades modeling //
SPIE Proc. - 1990. - V. 1309. - P. 17-26.
263. Vasilyev I.S., Arutiunov V.A., Nesterov V.K. Design features of IR imaging systems based on
IR SB PtSi CCDs intended for medical diagnostics // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. — P. 106-111.
264. Vicker D., LeBlanc R. Midwave infrared imager with plastic laminated
diffractive/aspheric surfaces // SPIE Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 642-648.
265. Vollmerhausen R.H., Driggers R.G. Analysis of of sampled imaging systems. -
Bellingham, Washington: SPIE Tutorial Texts (vol. TT-39), 2000.
266. Vollmerhausen R., Driggers R.G. NVTherm: next generation night vision thermal
model // IRIS Proc. Passive Sensors. - 1999. - V. 1. - P. 121-134.
267. Vortman J.G. Improved MRTD model for IR imaging systems // Opt. Eng. - 1987. -
V. 26, № 6.-P. 612-618.
268. Wada H, Nagashima M., Hayashi K. et al. 512x512 element GeSi/Si heterojunction
infrared FPA // SPIE Proc. - 1999. - V. 3698. - P. 584-595.
269. Wada H, Sone T, Hisatoshi H et al. YBaCuO uncooled microbolometer IRFPA // SPIE
Библиография
443
269. Wada Н, Sone Т., Hisatoshi Н. et al. YBaCuO uncooled microbolometer IRFPA // SPIE
Proc. - 2001. - V. 4369. - P. 297-304.
270. Walmsley C., Beystrum T., Glasser C. et al. Characterization/test software for high
density IR focal planes // SPIE Proc. - 2001. - V. 4372. - P. 18-26.
271. Wang Y.H. Vetralow dark current p-type strained-layer InGaAs/InAlAs quantum well
infrared detectors // Appl. Phys. Lett. - 1994. - V. 64. - P. 727-729.
272. Watton I.R., Manning P. Ferroelectrics in uncool thermal imaging // SPIE Proc. - 1998. -
V. 3436.-P. 541-554.
273. Webb C.M., Halford C.E. Dynamic minimum resolvable temperature testing for staring
array imagers // Opt. Eng. - 1999. - V. 38, № 6. - P. 845-851.
• 274. Weigel T., Moll B., Beers B.J. Ghost image debugging on a 240 degree fisheye lens //
SPIE Proc. - 1996. - V. 2774. - P. 598-609.
275. Wellfare M., Vechinski D., Watson J. et al. Irma 5,0 multi-sensor signature prediction
model // SPIE Proc. - 2000. - V. 4029. - P. 217-235.
276. Williams T.L., Davidson N.T. Measurement of the MTF of IR staring array imaging
systems // SPIE Proc. - 1992. - V. 1689. - P. 53-59.
277. Wilson J.A., Patten E.A., Chapman G.R. et al. Integrated two-colour detection for
advanced FPA applications // SPIE Proc. - 1994. - V. 2274. - P. 117-125.
278. Wittenstein W. Minimum temperature difference perceived - a new approach for assess
undersampled thermal imagers // Opt. Eng. - 1999. - V. 38, № 5. - P. 773-781.
279. Goldberg A. C., Fisher T, Derzko Z. Application of dual-band infrared focal plane arrays
to tactical and strategic military problems // SPIE Proc. - 2003. - V. 4820. - P. 500-514.
Производственно-практическое издание
Тарасов Виктор Васильевич
Якушенков Юрий Григорьевич
Инфракрасные системы «смотрящего» типа
Редактор Э.М. Горелик
Корректор Т.М. Толмачева
Переплет Е.М. Молчанова, С.С. Носова
Компьютерная верстка М.В. Игнатушкина
Подписано в печать 05.05.2004, № 19(з)
Формат 70x100/16. Печать офсетная
Печ. л. 27,75+цв. вкл. 0,5 л. Усл. печ. л. 36,44
Тираж 1 000 экз. Заказ № 2976
Издательско-книготорговый дом «Логос»
105318, Москва, Измайловское ш., 4
Отпечатано с готовых диапозитивов во ФГУП ИПК
«Ульяновский Дом печати». 432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14
По вопросам приобретения литературы
обращаться по адресу:
105318, Москва, Измайловское ш., 4
Телефакс: (095) 369-5819,369-5668,369-7727
Электронная почта: universitas@mail.ru
Дополнительная информация на сайте http://logosbook.ru