3. ПРИЕМНИКИ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ ОИУ

При проектировании оптико-электронного измерительного устройства системы управления важно правильно выбрать чувствительный элемент — приемник лучистой энергии (ПЛЭ) и обеспечить оптимальные условия его работы в зависимости от свойств и особенностей других элементов ОИУ [8], [11].

Приемники лучистой энергии характеризуются интегральной вольтовой, токовой или относительной омической чувствительностью; спектральной вольтовой или токовой чувствительностью; относительной спектральной чувствительностью; пороговой чувствительностью (пороговым потоком); способностью к обнаружению излучения; уровнем шумов; темновым сопротивлением; постоянной времени; частотной и энергетической характеристиками; рабочей температурой; конструктивными и эксплуатационными параметрами.

Интегральной чувствительностью ПЛЭ называется отношение амплитуды величины, характеризующей реакцию приемника, к амплитуде синусоидально модулированного интегрального потока излучения , вызвавшего эту реакцию. Если реакция ПЛЭ характеризуется выходным напряжением с амплитудой то интегральная вольтовая чувствительность ПЛЭ

Для фотосопротивлений интегральную чувствительность удобно выражать через относительное изменение его омического

сопротивления являющееся реакцией на изменение энергетической освещенности его поверхности, а именно:

где — интегральная относительная омическая чувствительность ПЛЭ.

Спектральной вольтовой чувствительностью называется отношение амплитуды его выходного напряжения к амплитуде синусоидально модулированного монохроматического потока излучения вызвавшего эту реакцию:

Если выходной сигнал ПЛЭ, например фотодиода, измеряется в единицах тока, то удобно его характеризовать токовой чувствительностью (интегральной или спектральной равной отношению амплитуд эффективного выходного тока приемника и соответствующего синусоидально модулированного (интегрального или спектрального потока излучения, падающего на площадку приемника.

Соответствующие формулы имеют вид:

Относительной спектральной чувствительностью ПЛЭ называется отношение спектральных чувствительностей при двух длинах волн. Наиболее часто определяется относительной вольтовой спектральной чувствительностью ПЛЭ

где — вольтовая спектральная чувствительность ПЛЭ на длине волны X;

— максимальная вольтовая спектральная чувствительность ПЛЭ.

Приведенной пороговой чувствительностью (пороговым потоком) называется минимальней интегральный лучистый поток, который можно обнаружить приемником, включенным в оптимальную электрическую схему с полосой пропускания Поток создает на выходе приемника напряжение, равное среднеквадратичному значению напряжения собственных (внутренних) шумов приемника или превышающее его в заданное число раз величина является коэффициентом надежности ПЛЭ.

При интегральной вольтовой чувствительности пороговая чувствительность ПЛЭ описывается формулой

В качестве критерия оценки приемников лучистой энергии применяется также шумовая эквивалентная мощность излучения При определении Ф. используют синусоидально модулированное излучение идеального излучателя при . Модуляция осуществляется на несущей частоте 90, 400 или 900 гц при полосе пропускания гц. Эквивалентная мощность излучения шумов определяется выражением

где — среднеквадратичное значение потока излучения, падающего от цели на приемник с площадью т. е. ее энергетическая освещенность;

— отношение среднеквадратичного значения напряжения к выходному сигналу в полосе частот гц при предположении, что в пределах такой узкой полосы частот не зависит от частоты;

— эталонная площадь чувствительной поверхности приемника (обычно принимается

При гц формула (IX.30) приводится к виду

Способность ПЛЭ к обнаружению излучения улучшается с уменьшением эквивалентной мощности шумов. Поэтому для сравнительной оценки качества приемников более удобно использоваться величиной, обратной Ф. Эквивалентная мощность шумов большинства ПЛЭ прямо пропорциональна корню квадратному из площади чувствительной поверхности приемника, поэтому в рассмотрение вводится критерий оценки приемников, не зависимый от размера чувствительной площадки,

называемый способностью ПЛЭ к обнаружению. Эту величину записывают иногда развернуто (например, D* (500° К, 900, 1)].

Темновым сопротивлением ПЛЭ называется его внутреннее омическое сопротивление без облучения. Величина существенно зависит от температуры приемника. У разных типов ПЛЭ

величина различна и изменяется от десятков ом (сурьмянистый индий) до десятков Мом (теллуристый свинец) и Гом (фотоэлементы).

Постоянной времени называется интервал от начала облучения до момента, когда выходной сигнал достигает определенной части (обычно 2/3), максимальной величины. Постоянная характеризует быстродействие ПЛЭ. У разных типов ПЛЭ величина изменяется от десятых и сотых долей мксек (фотосопротивления фотоумножители и др.) до тысяч и десятков тысяч мксек (тепловые приемники). Для определенного типа ПЛЭ постоянная времени при одинаковых условиях стабильна с точностью до 5—10%. Кроме собственных свойств, динамичность приемника зависит от характера излучения, схемы включения, рабочей температуры чувствительного слоя.

Частотной характеристикой ПЛЭ называется зависимость его чувствительности от частоты облучения. При экспоненциальном законе изменения выходного электрического сигнала в зависимости от облучающего потока частотные свойства ПЛЭ характеризуются следующими выражениями: при синусоидальной модуляции

при прямоугольной модуляции

где — чувствительности ПЛЭ соответственно при частоте облучения и частоте облучения, близкой к нулю.

Такой характер зависимостей сохраняется для всех видов чувствительности (интегральной, пороговой, спектральной и т. д.).

Для обеспечения надежной модуляции практически допустимой частотой облучения считается такая, при которой его чувствительность уменьшается не более чем в 2 раза. В этом случае по формулам (IX.33), (IX.34) получим условия выбора максимально допустимой частоты облучения ПЛЭ при синусоидальной модуляции

и при прямоугольной модуляции

Следовательно, общее условие выбора максимально допустимой частоты модуляции имеет вид

Применение заниженной частоты модуляции нежелательно, так как это приводит к увеличению шумов и потере чувствительности.

Энергетическая характеристика ПЛЭ отражает зависимость его чувствительности от уровня облученности. Эта зависимость, как правило, приближенно линейна только при потоках, близких к пороговой чувствительности. При значительном увеличении облученности чувствительность ПЛЭ уменьшается, так как его внутренние шумы возрастают.

Внутренние шумы ПЛЭ являются случайными выходными напряжениями типа флуктуаций и обычно характеризуются среднеквадратичной величиной их амплитуды. Суммарный шум ПЛЭ является результатом сложения внешних шумов от флуктуаций излучения объекта и фонов и внутренних шумов приемника.

Для обеспечения надежной работы ПЛЭ шум предварительного электронного усилителя должен быть существенно меньше его собственного шума, так как иначе чувствительность приемника не будет полностью использована. Входные элементы предварительного усилителя необходимо согласовать с сопротивлением ПЛЭ.

Типы приемников лучистой энергии. По физическому принципу действия ПЛЭ являются чувствительными элементами, преобразующими лучистый поток, как правило, в электрический сигнал. Они разделяются на две группы: фотонные, основанные на изменении электрических свойств вещества чувствительной поверхности при освобождений электронов под воздействием фотонов определенной длины волны, и тепловые, основанные на изменении физических свойств чувствительной поверхности при изменении ее температуры под действием излучения. Фотонные ПЛЭ селективны, т. е. действуют в определенном спектральном диапазоне излучения, а тепловые — интегральны (неселективны), т. е. действуют под влиянием всех лучей, содержащих тепловую энергию. Как правило, селективные ПЛЭ менее инерционны. К фотонным ПЛЭ относятся следующие элементы: фотоэмиссионные (ФЭ), фоторезисторы (ФР), фотогальванические (ФГ), фотомагнитоэлектрические (ФЭМ). К тепловым ПЛЭ относятся: болометры, термоэлементы, термисторы, эвапорографы, оптико-пневматические, радиационные термопары.

Пороговая чувствительность ФЭ, ограничиваемая в основном дробовым эффектом и тепловыми флуктуациями, рассчитывается по лриближенной формуле

где — темновой ток ФЭ в а;

— чувствительность фотокатода в

— чувствительность ФЭ в

Полезное выходное напряжение при изменении его внутреннего сопротивления на равно

где — напряжение питания в ;

— темновое сопротивление в ом;

— сопротивление нагрузки в ом;

— относительная омическая чувствительность

Максимальная выходная мощность обеспечивается при

Тепловой шум рассчитывается по формуле Найквиста:

где к — константа Больцмана;

Т — абсолютная температура в

— омическое сопротивление в ом;

— ширина полосы пропускания усилителя в гц;

Генерационно-рекомбинационный шум — при рассчитывается по формуле

где — напряжение питания в в;

— постоянная времени в сек;

— средняя концентрация носителей тока в облученном полупроводнике на единицу объема;

V — объем фотопроводника в объема;

— частота модуляции в гц.

Постоянная времени сернисто-кадмиевых и селенисто-кадмиевых при комнатной температуре колеблется в пределах (2 6) сек, а при температуре —60° С может измеряться секундами. Указанная выше инерционность соответствует освещенности приемника в При увеличении освещенности инерционность уменьшается. Чувствительность большинства сернисто-кадмиевых фотосопротивлений (при освещенности в а селенисто-кадмиевых около

Допустимая мощность рассеяния для сернисто-кадмиевых фотосопротивлений равна а для селенисто-кадмиевых — 0,05 вт.

В отличие от вакуумных фотоэлементов и фотодиодов на основе германия и кремния, работающих, например, в том же диапазоне спектра, у ФР на основе кадмия отсутствует пропорциональность между фототоком и световым потоком. Световые характеристики селенисто-кадмиевых также нелинейны.

Фотогальванические ПЛЭ основаны на использовании полупроводниковых фотодиодов с р—n-переходом, обладающих односторонней проводимостью. Они работают в фотодиодном режиме с приложением внешнего напряжения, включенного в запирающем направлении (плюс к n-зоне) или в вентильном — без внешнего напряжения. При облучении фотодиода в нем возникает э. д. с., создающая ток, протекающий через нагрузку

Полезный сигнал определяется по формуле

где — токовая интегральная чувствительность фотодиода в

— поток энергии излучения, падающий на чувствительную площадку фотодиода в

— внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода, т. е. отношение приращений напряжения и тока фотодиода при приращении облучения в ом. Основными видами шумов в фотодиодах являются следующие:

1. Тепловой шум, определяемый в соответствии с формулой (IX. 38).

2. Дробовой шум, обусловленный дискретной природой протекающего через диод тока и зависящий от величины этого тока определяемый по формуле

3. Избыточный шум

где — заряд электрона ;

— полоса частот электронного тракта в гц;

— частота модуляции;

— внешнее напряжение фотодиода в в;

А — коэффициент пропорциональности,

— коэффициент.

Интегральная пороговая чувствительность фотодиода

где — интегральная токовая чувствительность;

— суммарный шум фотодиода.

Координирующие приемники лучистой энергии вырабатывают выходной электрический сигнал, функционально зависящий от положения изображения объекта на чувствительной площадке, т. е. от его угловых координат.

КПЛЭ с непрерывной функциональной зависимостью выходного электрического сигнала от угловых координат объекта основаны на использовании бокового фотоэффекта, т. е. явления возникновения в полупроводнике с электронно-дырочным переходом типа электрического тока, протекающего параллельно плоскости перехода. ПЛЭ с боковым фотоэффектом называется инверсным фотодиодом. Для повышения точности определения координат инверсным фотодиодом необходимо лучи фокусировать на переходе (рис. IX. 21). Пластина 1 инверсного фотодиода выполнена из германия типа с удельным

сопротивлением . В пластину впаяна таблетка индия 2, на которую с внешней стороны напаян диск 3 из рекристаллизованного германия типа с малым удельным сопротивлением порядка . На пластину напаяны выводы для снятия электрического напряжения. При облучении инверсного фотодиода на возникает первичный фототок такой же, как у обычных фотодиодов. Первичный фототок является сигналом об облучении на ПЛЭ, т. е. о наличии в поле зрения излучающего объекта. Для снятия этого тока делается обычный вывод, присоединяемый к детали 3. Кроме того, в -области возникают слабые боковые токи, отводящиеся через -область и выводы 4 на омическую нагрузку При падении лучистого потока в центральную точку приемника боковые токи проходят в -области до выводов равные расстояния, что сопровождается одинаковым падением напряжения. В этом случае разность потенциалов на клеммах гальванометра равна нулю. При смещении изображения с центральной точки приемника длина пути тока от места падения луча до выводов различна, потенциалы не равны и их разность функционально зависит от смещения изображения с центра приемника. Для расчета разности потенциалов противоположных выводов инверсного диода рекомендуется приближенная формула

где — основной (продольный) фототок, протекающий через приемник, а;

— половина расстояния между контактами, мм;

х — смещение изображения точечной цели от центра приемника, мм;

— коэффициент, характеризующий омическое сопротивление приемника, ом.

Может быть использована также формула

где — поток лучистой энергии, падающий на приемник от цели,

— коэффициент, учитывающий величину R и преобразование приемником лучистой энергии в электрическую, в/вт.

Рис. IX.21. Схема координирующего приемника лучистой энергии (с инверсным фотодиодом)

Инверсная характеристика фотодиода обладает высокой линейностью в зоне мм (рис. IX. 22). Для использования линейной зоны инверсного фотодиода при малых х на выходные контакты подается напряжение смещения.

Рис. IX. 22. Характеристика инверсного фотодиода

Рис. IX.23. Компоновка координирующего приемника, модулирующей сетки и коммутаторов следящего прибора

Этот приемник используют в оптической системе с полем зрения 3,6°, диаметром входного отверстия 118 мм и относительным отверстием Для повышения помехоустойчивости от протяженных фонов перед приемником вращается модулирующий растр с тридцатью пятью непрозрачными ломаными штрихами, состоящими из отрезков эвольвенты (рис. IX. 23).

Рис. IX.24. Система обнаружения с многоэлементным ПЛЭ: а — схема системы; б — схема коммутатора переменного тока

Координирующий многоэлементный [8] (мозаичный) приемник лучистой энергии показан на рис. IX. 24. Приемник 9 (см. рис. IX. 24, а) установлен в сканирующей оптической системе, состоящей из основного зеркала 2, корригирующей линзы 3, диафрагмы со светофильтром 7

и сканирующего зеркала 5. В фокальной плоскости установлен сеточный растр а сзади мозаичный приемник, содержащий 30 свинцово-сульфидных фоторезисторов. Элементы приемника соединены с коммутатором 5, накопитель которого имеет 30 параллельно настроенных резонансных контуров с узкой полосой пропускания, накапливающих энергию полезных сигналов и ослабляющих шумы. При сканировании точечного изображения объекта с помощью электродвигателя 4 и зеркала 5 датчик опорных сигналов 6 координирует по азимуту сигналы, возникающие на элементах мозаичного приемника. Коммутирующий блок подключает элементы мозаичного приемника поочередно по высоте.

Рис. IX.25. Мозаичная инфракрасная приемная трубка со сканирующим электронным лучом: а — схема конструкции (1 — сканирующий электронный луч, 2 — фокусирующие и отклоняющие катушки, 3 — электронная пушка, 4 — фотопроводящая поверхность); б — эквивалентная схема инфракрасной приемной трубки со сканирующим электронным лучом (1 — синхронизированный модулятор; 2 — элемент мозаики; 3 — распределенный RС-фильтр; 4 — сканирующий электронный луч); С — накопительная емкость; Е — синхронизированный источник переменного тока смещения

Таким образом осуществляется сканирование всего поля обзора. Время сканирования всего поля обзора 0,75 сек. Растр 1 состоит из непрозрачных нитей с расстоянием между ними 0,0432 мм и предназначен для модуляции сканирующего лучистого потока с частотой 40 гц. Размер кружка аберрационного рассеяния оптической системы 1,2 мрад. Лучистый поток от точечного объекта модулируется с полной глубиной и создает на приемниках переменные токи несущей частоты. Протяженные фоны при сканировании не модулируются и создают постоянные напряжения, которые не пропускаются в коммутатор блокировочными конденсаторами (рис. IX. 24, б)

Сигналы несущей частоты с приемника поступают на соответствующие резонансные колебательные контуры рассчитанные на прием и накапливание ударных импульсов и обладающие высокой добротностью. Накапливание в колебательном контуре обеспечивается благодаря тому, что возбужденные колебания

сохраняются в нем достаточно долго, чтобы коммутатор успевал «опросить» его и передать сигнал на выход усилителя У. Коммутатор работает с частотой 1200 гц и принимает сигналы из 30 параллельно настроенных резонансных контуров Резонансный контур и блокировочный конденсатор способствуют ослаблению шумов, создаваемых электромеханическим коммутатором. Величина этого шума имеет порядок нескольких микровольт и ниже шума фоторезистора.

В инфракрасных головках самонаведения [7] применяются -элементные мозаичные приемники со сканирующим электронным лучом, состоящие из микрофотосопротивлений и имеющие один общий канал усиления (рис. IX. 25, а). Эквивалентная электрическая схема мозаичного приемника приведена на рис. IX. 25, б.

При технической реализации мозаичных инфракрасных трубок возникают существенные технологические трудности. Трубки имеют значительные габариты и большую стоимость, они также нуждаются в специальных высоковольтных блоках питания для отклоняющих обмоток электронной пушки.

За рубежом ведутся разработки инфракрасных видиконов. Предполагается, что такие устройства будут иметь небольшие габариты, но для питания электронной пушки и отклоняющих обмоток потребуют значительных по габаритам высоковольтных блоков питания.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)