В.В. Коротаев, Г.С. Мельников, С.В. Михеев

ОСНОВЫ ТЕПЛОВИДЕНИЯ

Санкт-Петербург

2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

b В.В. Коротаев, Г.С. Мельников, С.В. Михеев, В.М. Самков, Ю.И. Солдатов

ОСНОВЫ ТЕПЛОВИДЕНИЯ

Учебное пособие Санкт-Петербург 2012 В. В. Коротаев, Г.С. Мельников, С. В. Михеев, В. М. Самков, Ю. И. Солдатов. Основы тепловидения – СПб: НИУ ИТМО,2012 – 122 стр.

В учебном пособии излагаются основы тепловидения и принципы создания тепловизионных приборов. Кратко описаны все основные процессы, происходящие в системах тепловидения: принципы генерирования собственного теплового излучения нагретых тел, вклад в суммарное тепловое излучение, рассматриваются материалы, применяемые в ИК технике, приёмники излучения, методы и приёмы выделения ИК сигналов из шумов и основные принципы обработки формируемых тепловизорами изображений, особенности зрительного восприятия тепловизионных изображений и пути создания цветовых изображений, близких по восприятию к изображениям видимого диапазона спектра электромагнитных колебаний.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению подготовки 200400 «Оптотехника» по магистерским программам 200200.68.01 «Оптико-электронные методы и средства обработки видеоинформации» и д.р. программам.

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области приборостроения и оптотехники для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 200400 «Оптотехника» и магистерским программам 200200.68.15 протокол № от «_» _2012 г.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики».

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, © В.В. Коротаев, Г.С. Мельников

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1 Тепловидение

1.1 Термины и определения по ГОСТ Р 8.619-2006

1.2 Общие положения

1.3 Применение тепловидения

1.3.1 Некоторые применения тепловизионных устройств в военном деле и промышленности

1.3.2 Тепловое излучение. Теоретические расчёты. ИК материалы............... 1.4 Прохождение излучения через атмосферу

1.4.1 Влияние гидрометеоров

1.4 – График затухания излучения в тумане и дожде

1.4.2 Концепция комплексирования тепловизионных каналов

1.5 ИК материалы

1.5.1 Основные положения

1.5.2 Выбор оптических материалов для приборов ракетной техники........... 1.5.3 Выбор оптических материалов для комплексированных систем ИК и ТГЦ каналов формирования изображений

1.6 ИК приёмники излучения

1.7 Общая оценка и расчёты

1.7.1 Расчёты коэффициента эффективности в зависимости от количества элементов приемников

1.7.2 Расчет чувствительности канала ТпВ

1.7.3 Выбор спектральных диапазонов в неблагоприятных условиях наблюдения

1.8 Анализ состояния с разработкой топологии болометрических приемников

2 Основы построения тепловизионных систем

2.1 Общий принцип устройства тепловизоров

2.2 Типовые схемы тепловизионных систем 0-го, 1-го и 2-го поколений...... 2.2.1 Системы сканирования для ИК радиометров-тепловизоров «замороженного» изображения

2.2.2 Тракты обработки сигналов тепловизоров первых поколений [27]....... 2.2.3 Системы восстановления постоянной составляющей сигнала............... 2.2.4 Системы цифровой регистрации и отображения информации............... 2.3 Тепловизоры 3-го поколения

2.3.1 Модульные блоки формирования сигналов ТпВ III-го поколения......... 2.3.2 Выбор микросхем согласования чувствительных элементов матричного QWIP с АЦП

3 Нанотехнологии в тепловидении

3.1 Квантовые структуры

3.2 Укладывая атомы

3.3 Квантовые ямы

3.4 Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити)............. 3.5 Структуры с нуль-мерным электронным газом (квантовые точки) .......... 3.6 Сверхрешетки

3.7 Матричные QWIP. Последние разработки

4 Современное состояние развития тепловизионных систем

4.1 Матричные тепловизоры

4.1.1 Многоканальная тепловизионная система для сверхдальнего обнаружения фирмы FLIR

4.2 Перспективы развития и применения ТПС

4.2.1 Комплексированные системы совмещения ТпВ изображений............... 4.2.2 Комплексированная система совмещения ИК и ТГЦ изображений...... 4.2.3 Выбор матрицы чувствительных элементов для построения комплексированной системы ИК и субмиллиметрового видения.................. 4.2.4 Обоснование построения нового класса тепловизионных систем....... 4.2.5 Выводы

5 Экспериментальные данные по фоно-целевым характеристикам в ИК области спектра

5.1 Реально наблюдаемые контрасты морских объектов

5.2 Наземные объекты наблюдения

5.3 Промышленные и жилые объекты

5.4 Воздушные объекты

5.5 Объекты типа «Танк»

5.6 Цели типа «Ангары»

5.7 Неблагоприятные условия наблюдения

5.8 Основные задачи по подъёму тепловизионного приборостроения......... СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

BIB (Blocked-Impurity-Band) – блокированная примесная зона CTIA (capacitive transimpedance amplifier input circuit) – ёмкостной вход усилителя управляемый током FPA (Focal Plate Area) – фокально-плоскостной («одновременно смотрящий») приёмник излучения FLIR (Forward Looking Infrared) – «смотрящая» инфракрасная (система) SWIR (Short Wave Infrared) – Коротковолновое инфракрасное излучение MCT (Mercury Cadmium Telluride)– теллурид ртути кадмия MWIR (Middle Wave Infrared) – Средневолновое инфракрасное излучение NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) – Температурная чувствительность LWIR (Long Wave Infrared) – Длинноволновое инфракрасное излучение VLWIR – сверхдлинноволновое инфракрасное излучение NEP (Noise-Equivalent Power) – мощность, эквивалентная шуму NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) – разность температур, эквивалентная шуму QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) – инфракрасный фотоприемник на основе структур с квантовыми ямами (колодцами) SPRITE (Signal Processing In The Element) – обработка сигнала в фоточувствительном элементе TED (Tom Elliot Detector) – фотоприемник Тома Эллиота ЭПР – эффективный показатель рассеяния АМБ – антенный микроболометр АЦП – аналого-цифровой преобразователь БОИ – блок отображения информации БПСР – блок преобразования стандартов разложения ВКУ – видеоконтрольное устройство ВП – военная приемка ВТ – военная техника ГКМ – газовая криогенная машина ГМО – германий монокристаллический для оптоэлектроники ГС – гетероструктура ГСН – головка самонаведения ЗУ – запоминающее устройство ИК – инфракрасный КА – космический аппарат КРС – квантово-размерная структура КРТ – твердый раствор кадмий-ртуть-теллур (Cd-Hg-Te) КРЭ – квантово-размерный эффект КЯ – квантовая яма МБМ – микроболометрическая матрица МБР – межконтинентальная баллистическая ракета МДВ – метеорологическая дальность видимости МКС – микрокриогенная система МЛЭ – молекулярно-лучевая эпитаксия МПИ – матричный приёмник излучения МСКЯ – многослойная структура с квантовыми ямами МФС – международная фотометрическая система МЧС – министерство по чрезвычайным ситуациям ОС – оптическая система ОЭС – оптико-электронная система ПЗС – прибор с зарядной связью ПИ – приемник излучения ППЗ – прибор с переносом заряда ПРК – противоракетный комплекс ПСИ – пачка синхронизирующих импульсов СБИС – сверхбольшая интегральная система СВЧ – сверхвысокая частота СФ – согласованный фильтр ТГЦ – терагерцовый ТКЯ – толщина квантовой ямы ТпВ – тепловизор ТПС – тепловизонная система ТПСл – толщина покрывающего слоя ТЭО – термоэлектрический охладитель УФ – ультрафиолетовый ФПЗС – фоточувствительный прибор с зарядовой связью ФППЗ – фоточувствительный прибор с переносом заряда ФПУ – фотоприемное устройство ФЦО – фоноцелевая обстановка ФЧЭ – фоточувствительный элемент ЧКЯ – число квантовых ям ЭМК – электромагнитное колебание ЧТ – черное тело ЭОП – электронно-оптический преобразователь D –удельная обнаружительная способность приемника nпр – площадь приемника излучения fш – эквивалентная шумовая полоса усилительного тракта dэф – эффективный диаметр входного зрачка оптической системы – мгновенное угловое поле (в пространстве предметов) – уровень затухания сл – уровень сложности решаемой задачи атм() – спектральный коэффициент пропускания атмосферы – спектральный показатель ослабления на трассе Т0 – чувствительность ТпВ в целом Рпр – вероятность правильного обнаружения Рпроп – вероятность пропуска сигнала Рлт – вероятность ложной тревоги Фп.е. = 1/D – спектральный порог чувствительности приемника излучения

ВВЕДЕНИЕ

В учебном пособии излагаются основы тепловидения и принципы создания тепловизионных приборов. Кратко описаны все основные процессы, происходящие в системах тепловидения: принципы генерирования собственного теплового излучения нагретых тел, вклад в суммарное тепловое излучение отражённых составляющих окружающего фона и внутренних элементов конструкций объективов, рассматриваются материалы, применяемые в ИК технике, приёмники излучения, оптические и электронные модули, методы и приёмы выделения ИК сигналов из шумов и основные принципы обработки формируемых тепловизорами изображений, оцениваются особенности зрительного восприятия тепловизионных изображений и пути создания цветовых изображений, близких по восприятию к изображениям видимого диапазона спектра электромагнитных колебаний.

Учебное пособие предназначено для использования в качестве базового по дисциплине «Основы тепловидения».

Методическое пособие предназначено также для научных работников, инженеров и студентов различных специальностей, интересующихся методами и средствами разработки и исследования систем, сопрягаемых с тепловизорами, а также для лиц, использующих такие приборы.

1.1 Термины и определения по ГОСТ Р 8.619- соответствующими определениями:

тепловизионный измерительный прибор (тепловизор) – оптикоэлектронный прибор, предназначенный для бесконтактного (дистанционного) наблюдения, измерения и регистрации пространственного/пространственно-временного распределения радиационной температуры объектов, находящихся в поле зрения прибора, путем формирования временной последовательности термограмм и определения температуры [1] поверхности объекта по известным коэффициентам излучения и параметрам съемки (температура окружающей среды, пропускание атмосферы, дистанция наблюдения и т.п.);

эталонный (образцовый) излучатель – излучатель в виде модели абсолютно черного тела (АЧТ), удовлетворяющий требованиям ГОСТ 8.558, ГОСТ Р 8.566;

эталонный (образцовый) протяженный излучатель – эталонный (образцовый) излучатель, угловые размеры которого в 10 и более раз превышают элементарное поле зрения тепловизора;

тепловой тест-объект – устройство, предназначенное для создания картинной плоскости, содержащей теплоизлучающий объект с заданными пространственной частотой или формой, температурным контрастом на равномерно излучающем фоне с известным значением его температуры и излучательными способностями объекта и фона;

термограмма – многоэлементное двумерное изображение, каждому элементу которого приписывается цвет, или градация одного цвета, или градация яркости экрана, определяемые в соответствии с условной температурной шкалой;

количество чувствительных элементов (элементов разложения термограммы) – количество фоточувствительных элементов в фотоприемном устройстве тепловизора;

угол поля зрения – пространственный угол, в пределах которого осуществляется формирование термограммы;

элементарное поле зрения (мгновенный угол поля зрения) – пространственный угол, в пределах которого инфракрасное излучение воспринимается одним фоточувствительным элементом фотоприемного устройства;

пространственное (угловое) разрешение – размер (угловой или в элементах разложения) щели в экране, установленном перед протяженным излучателем в поле зрения тепловизора, при котором отношение пикового приращения температуры щели над температурой экрана на термограмме к разности температур излучателя и экрана достигает заданного значения;

порог температурной чувствительности (разность температур, эквивалентная шуму) – приращение температуры, равное среднему квадратическому значению шума в термограмме при наблюдении однородного фона с заданной температурой;

неравномерность чувствительности тепловизора по полю – максимальное значение перепада температур фрагментов термограммы равноизлучающего по поверхности эталонного (образцового) протяженного излучателя.

1.2 Общие положения Энергетические соотношения в оптико-электронных приборах с использованием полупроводниковых приемников излучения и оптикомеханического сканирования достаточно подробно изложены в ряде монографий, например в книге Дж. Ллойда [1]. В ней выполнены систематизация и анализ этих данных.

Могут быть рекомендованы и другие работы: [2], [31]; [3], и более поздние работы [4], [21], [11] и многие другие.

Тепловизоры (ТпВ) относятся к оптико-электронным приборам пассивного типа, работающим в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра излучения.

Тепловидение – это направление в технических измерениях, изучающее физические основы, методы и приборы, обеспечивающие возможность наблюдения слабонагретых объектов. Эти приборы называются тепловизорами (термографами).

В настоящее время разработано и активно используется большое количество ТпВ средневолнового и длинноволнового ИК поддиапазонов.

Начинается активная разработка приборов ближнего и коротковолнового ИК поддиапазонов, однако широкого распространения они пока не получили.

В последние годы интенсивно развивается направление по созданию комбинированных и комплексированных приборов, сочетающих в своём составе несколько каналов приёма теплового излучения. Так, работы ведутся по построению ТпВ, чувствительных в ИК средневолновом окне прозрачности атмосферы (см. табл. 1.1) и в длинноволновом.

Особый интерес проявляется к разработке ТпВ, чувствительных как в длинноволновом окне прозрачности атмосферы, так и в терагерцовом (ТГЦ) диапазоне.

В системах безопасности в основном используются ТпВ длинноволнового ИК поддиапазона. Это связано с техническими особенностями (большинство тепловизоров MWIR – охлаждаемые) и физическими причинами (в LWIR находится максимум излучения тел при комнатной температуре). Первые тепловизионные системы были созданы в конце 30-х гг. ХХ в.

Таблица 1.1 – Диапазоны ИК излучения Длина волн (мкм) Название 0,76-1,5 Ближнее инфракрасное излучение 1,5-2,2 Коротковолновое инфракрасное излучение (SWIR) 2,2-5,6 Средневолновое инфракрасное излучение (MWIR) 5,6-30 Длинноволновое инфракрасное излучение (LWIR) 30-300 Дальнее инфракрасное излучение (ТГЦ излучение) Начало развития тепловизионной техники было положено в начале 60-х гг. XX столетия исследованиями и разработкой приборов по двум основным направлениям:

с использованием дискретных приемников излучения совместно с системами сканирования (развертки) изображения;

с использованием аппаратуры без механического сканирования на базе двумерных ИК приемников.

Сканирующие системы тепловидения используют различные типы сканирования: одноэлементное, параллельное и последовательное.

Сканирование может проводиться как в пространстве предметов (объектов), так и их изображений. Различаются типы сканирования по траекториям сканирования, закону сканирования и ряду других признаков.

ТпВ без механического сканирования («смотрящего» типа), первоначально названные FLIR (Forward Looking Infrared) системами, используют аналогию с органами зрения живых существ – многоэлементные матричные приёмники оптического излучения (focal plane array – FPA) [4].

Сегодня можно условно выделить четыре поколения развития такой техники [5, 6, 7]:

– нулевое поколение основано на применении единичных охлаждаемых приемников и двумерной (строчной и кадровой) развертки с помощью сканирующей оптико-механической системы;

– первое поколение – на применении строчных линеек приемников и упрощенной кадровой развертки;

– второе поколение – на использовании сгруппированных нескольких линеек (с временной задержкой и накоплением) и низкоскоростной системой развертки; ко второму поколению относят вакуумные приборы с электронным сканированием приемной мишени – пироконы;

– принципиально новое третье поколение основано на применении «одновременно смотрящих» – фокально-плоскостных (FPA – Focal Plate Area) и двумерных твердотельных многоэлементных (матричных) приемников излучения (МПИ), то есть без использования оптикомеханических систем развертки.

Первоначально развитие тепловидения, как и большинства высоких технологий, было связано с вооружением и военной техникой. Однако бурное развитие тепловидения и, особенно, неохлаждаемых приборов, его уникальные возможности открыли ему дорогу в гражданский сектор.

Сегодня большинство тепловизионных систем (ТПС) по существу являются изделиями двойного назначения, т. е. могут использоваться как в военных, так и в гражданских целях. Для вооружения и военной техники до сих пор применяются как сканирующие ТПС, так и матричные ТпВ.

В последние годы развитие тепловизионной техники идет в основном по пути применения неохлаждаемых многоэлементных МПИ, физические характеристики которых весьма высоки и практически не уступают охлаждающим системам. Современные ТПС имеют малые массо-габаритные характеристики и энергопотребление, обеспечивают бесшумную работу и высокое качество тепловизионного изображения, широкий динамический диапазон при работе в режиме вещательного телевизионного стандарта, цифровую обработку в реальном масштабе времени, связь с ЭВМ и т.п. и делятся на два основных класса:

– наблюдательные (показывающие);

– измерительные, или радиометрические (термографы).

Структурно устройство современных матричных ТпВ не отличается от устройства телевизионных камер на ПЗС.

1.3 Применение тепловидения Тепловидение нашло применение во многих сферах человеческой деятельности. Например, ТпВ применяются в целях военной разведки и охраны объектов. В ручной тепловизионный ночной визир человека можно увидеть в полной темноте на расстоянии 300 м. Объекты обычной военной техники видны на расстоянии 2-3 км.

Тепловой контроль основан на измерении, мониторинге и анализе температуры контролируемых объектов. Основным условием применения теплового контроля является наличие в контролируемом объекте тепловых потоков. Процесс передачи тепловой энергии, выделение или поглощение тепла в объекте приводит к тому, что его температура изменяется относительно окружающей среды. Распределение температуры по поверхности объекта является основным параметром в тепловом контроле, так как несет информацию об особенностях процесса теплопередачи, режиме работы объекта, его внутренней структуре и наличии скрытых внутренних дефектов. Тепловые потоки в контролируемом объекте могут возникать по различным причинам.

Основной вклад в наблюдаемый тепловой контраст вносят собственные излучения наблюдаемого объекта и фона. Но в ряде ситуаций существенные изменения контрастов объектов обуславливаются не только собственным излучением тел, но и отраженными от объектов (по законам оптики) нагретыми слоями атмосферы при пригоризонтном наблюдении и холодными излучениями зенитных областей заатмосферных излучений при наблюдении объектов с авиационных и космических носителей. В ряде тепловых измерений необходимо селектировать отраженные составляющие тепловых потоков от контролируемого объекта собственной температуры объектива наблюдательного прибора и даже собственной температуры приёмника излучения. Подобные ситуации учитываются в прецизионных измерениях, при использовании ТпВ в режиме радиометрических (термографических) исследований.

1.3.1 Некоторые применения тепловизионных устройств в военном деле и промышленности Армия и министерство по чрезвычайным ситуациям (МЧС):

видеонаблюдение, рекогносцировка наземных подразделений, целеуказание, мониторинг и охрана особо важных обьектов, охрана границ, поиск и спасение, выявление скрытых бункеров, выявление скрытых очагов пожаров.

Энергетика: состояние дымовых труб и газоходов, состояние статоров генераторов, проверка маслонаполненного оборудования, теплоизоляция турбин, паро- и трубопроводов, обнаружение мест присосов холодного воздуха, контроль состояния теплотрасс.

Нефтегазовый комплекс: проверка состояния электрооборудования, контроль технологических линий, поиск энергопотерь, обнаружение утечек из газопроводов, предотвращение пожаров.

Энергосбережение: диагностика ограждающих конструкций, обнаружение теплопотерь во внутренних помещениях и снаружи зданий и сооружений, определение теплоизоляционных свойств материалов.

Химическая промышленность: проверка герметичности и изоляции емкостей для хранения различных жидкостей и газов.

Машиностроение: контроль подшипников, зубчатых передач, валов, муфт и т.д., обнаружение несоосности оборудования, контроль температурных режимов сварки, термоэластический анализ напряжений.

Микроэлектроника: контроль качества сборки печатных плат.

Автомобильная промышленность: проектирование климатических систем автомобиля, контроль за ультразвуковой сваркой амортизаторов, разработка и проверка дисковых тормозов, контроль теплообменных процессов в радиаторах, двигателях и выхлопных системах.

Строительная промышленность: тепловизионная диагностика тепломеханического оборудования, выявление мест с повышенными теплопотерями, тепловизионный контроль дымовых труб, проверка эффективности при восстановлении теплоизоляции и реконструкции зданий.

Медицина: ранняя диагностика вирусных заболеваний, диагностика злокачественных и доброкачественных опухолей, выявление воспалительных и дистрофических поражений позвоночника и периферических суставов, диагностика заболеваний скелетных мышц, диагностика внутренних болезней (диабетическая ангиопатия, атеросклероз, эндартериит сосудов конечностей, болезнь Рейно, гепатиты, нарушения вегетативной регуляции, миокардит, бронхит и др), диагностика в урологии (воспалительные заболевания почек, мочевого пузыря и др), как абсолютно безвредный прибор тепловизор эффективно применяется в акушерстве и педиатрии.

Фармакология: получение объективных данных о воздействии противовоспалительных и сосудорасширяющих лекарств и др.

1.3.2 Тепловое излучение. Теоретические расчёты. ИК материалы Каждый объект с температурой, отличной от абсолютного нуля, испускает излучение, которое называется тепловым. Нагретые тела (твердые и жидкие) характеризуются непрерывным распределением излучения по спектру длин волн с единственным максимумом, положение которого зависит от температуры источника. Такие источники называют тепловыми, а тела эти обычно находятся в состоянии термодинамического равновесия.

Тепловое излучение — электромагнитное излучение со сплошным спектром, испускаемое нагретыми телами за счёт их внутренней энергии.

Это один из трёх элементарных видов переноса тепловой энергии (помимо теплопроводности и конвекции).

В физике для расчёта теплового излучения принята модель абсолютно чёрного тела (АЧТ), тепловое излучение которого описывается законом Стефана — Больцмана. Излучение же реальных тел подчиняется закону излучения Кирхгофа.

Излучение пламени или электрического разряда в газах не непрерывно по спектру, а сконцентрировано в узких интервалах – линиях и полосах. Такие источники называют селективными.

Примерами селективных излучателей являются факелы двигателей самолетов и ракет, а также слои в скачке уплотнения, окружающие возвращающийся в атмосферу космический аппарат (КА) и отделившиеся боеголовки межконтинентальных баллистических ракет (МБР).

Фундаментальным понятием при изучении теплового излучения является понятие об АЧТ, т. е. теле, поглощающем все падающее на него излучение любых длин волн. Вывод формул основан на представлении, что тепловое излучение генерируется в процессе простого гармонического колебания линейных атомных осцилляторов не непрерывным образом, а дискретными квантами, энергия Е которых является функцией частоты излучения v: Е = hv, где h — постоянная Планка.

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка:

где I v dv — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне частот от v до v dv ; v – частота излучения;

T – температура излучающего тела; h – постоянная Планка (h= 6,6256·10-34 Вт·с2); c – скорость света в вакууме (с=2,9979·1010 см/с), k – постоянная Больцмана (k= 1,38054·10-23 (Вт·с)/К);.

Это выражение эквивалентно, где u()d или W(T, ) – мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в диапазоне длин волн от до + d.

Интегрирование уравнения, описывающего закон Планка, дает закон Стефана – Больцмана, первоначально полученный экспериментально:

Продифференцировав уравнение Планка (1.1), получим закон смещения Вина:

где u — плотность энергии излучения; — частота излучения; T — температура излучающего тела; C1, C2 — константы.

Спектральная плотность излучения АЧТ в диапазоне температур от 3500 до 5500 К и от 280 до 320 К показана на рис. 1.1.

Из рис. 1.1 видно, что полный поток излучеиия АЧТ быстро возрастает с ростом температуры. При этом максимум СПЭС с увеличением температуры сдвигается в сторону более коротких волн.

Т.о., по закону Кирхгофа функция частоты и температуры f(,Т) есть не что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела (Me. (,T)).

В 1860 г. Густав Кирхгоф доказал, что отношение испускательной и спектрального коэффициента поглощения (поглощательной способностей) тела не зависит от его природы, а является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией частоты и температуры:

или (r/(,T))1 = (r/(,T))2 = (r/(,T))n = f (,Т).

А. Для высокотемпературных тел В. Для низкотемпературных тел Рисунок1.1 – Зависимость мощности излучения чёрного тела от длины В 1879 г. Йозеф Стефан, основываясь на экспериментах, решил, что энергетическая светимость любого тела пропорциональна четвертой степени температуры. Однако через несколько лет Больцман доказал, что это утверждение справедливо только для абсолютно черных тел.

Найденная ими зависимость получила названия закона Стефана – Больцмана:

Rч.т.= f(,T)·d = ·Т4, где – экспериментально найденная константа; = 5,670·10-8 Вт/(м·К).

Из квантовой механики известно, что тепловое излучение есть поток квантов Бозевского газа – фотонов.

При интерпретации термограмм, получаемых в ТПС, необходимо учитывать условия наблюдения объектов и зависимости коэффициентов собственного излучения объектов и коэффициентов отражения от объектов собственного излучения фона. Чтобы сравнивать интегральные величины излучения чёрного тела и селективного излучателя, введено понятие радиационной температуры – температуры чёрного тела, имеющего такую же суммарную (по всему спектру) энергетическую светимость, что и данный селективный излучатель (объект).

Черное тело; 2. Серое тело (условное);

3…5. Диэлектрики с покзателями соответственно; 6. Металл a). Зависимость коэффициента б). Зависимость коэффициента излучения от угла наблюдения Рисунок 1.2 – Зависимости коэффициентов излучения различных материалов и воды от угла наблюдения при формировании термограмм [4] 1.4 Прохождение излучения через атмосферу При проектировании ИК системы любой разработчик решает задачу создания аппаратуры с учётом прохождения теплового излучения в поглощающих средах.

Почти всегда (за исключением случая "космос–космос") излучение от цели проходит сквозь слой земной атмосферы и либо ослабляется, либо вовсе затухает за счет рассеяния и поглощения молекулами водяного пара, углекислого газа и озона. Спектральное пропускание излучения атмосферой приведено на рисунке 1.3.

Озоновый слой на высоте около 80 км задерживает сверхкоротковолновое ультрафиолетовое излучение.

На рисунке 1.3: а – обычный ультрафиолет (от 0,2 до 0,4 мкм) и видимый диапазон – от 0,45 до 0,8 мкм; б – ближний ИК диапазон (0,76– 1,5 мкм) и коротковолновый (1,5-2,8); в – средний ИК диапазон (2,8–5, мкм); г – длинноволновый ИК диапазон (5,6–29,0 мкм); д – дальний ИК, или ТГЦ диапазон (30-300 мкм).

В атмосфере имеются окна прозрачности, которые стандартизованы в международной фотометрической системе (МФС) через ±:

в видимом и начале ближнего ИК диапазонов: B, V, R, J – до 1,2 мкм;

– H-диапазон – (1,6 ± 0,1) мкм;

– К-диапазон – (2,2 ± 0,3) мкм;

– L-диапазон – (3,6 ± 0,45) мкм;

– М-диапазон – (4,6 ± 0,5) мкм;

– N-диапазон – (10,0 ± 2,0) мкм;

– Q-диапазон – (20,0 ± 0,4) мкм.

Между полосами прозрачности имеются полосы полного поглощения ИК-излучения атмосферой, в основном, углекислым газом СО2 (2,6–2,9 мкм; 4,2–4,4 мкм) и парами воды Н2О (5,0–8,0 мкм).

Аэрокосмические приемники изображения используют те или другие полосы пропускания или поглощения в зависимости от назначения.

ТПС в значительной степени зависят от состояния условий теплообмена между подстилающей поверхностью и воздушной средой. В равновесных условиях теплообмена ТпВ наблюдают только температурноконтрастные цели без привязки к окружающей местности, т.к. различия в температурах отдельных участков фона практически полностью нивелируются. Кроме того, значительное ослабление сигналов о собственном тепловом излучении целей и фона наблюдается в условиях густого тумана и мелкого дождя, размеры водных капель, в которых соизмеримы со средней длиной волны в диапазоне чувствительности наблюдательного прибора. В то же время, затухание ТГЦ излучения в указанных средах значительно меньше. Представление о степени поглощения (пропускании) излучения атмосферой в различных ИК (1) и ТГЦ диапазонах (2) можно составить по приводимым ниже (рис. 1.3) графикам.

а) Спектральный коэффициент б) Спектральный коэффициент пропускания атмосферы в ИК ослабления атмосферы от Рисунок 1.3 – Графики пропускания атмосферы в ИК и ТГЦ диапазонах Интерес к ТГЦ излучению обусловлен следующими его свойствами:

- это неионизирующее излучение (энергия фотонов 0,04 – 0,004 эВ);

- это излучение хорошо проходит через мутные среды и мелкодисперсные материалы из-за резкого подавления рэлеевского рассеяния (1/4);

- это область вращательных спектров молекул, колебаний биологически важных коллективных мод ДНК и белков, колебаний твердотельной плазмы;

- это область водородных связей и вандерваальсовских сил межмолекулярного взаимодействия;

- энергия фотонов ТГЦ излучения лежит в области энергетической щели сверхпроводников [8].

Интегрирование указанных диапазонов позволит получить большую дальность действия и всепогодность при угловой разрешающей способности, свойственной ИК диапазону. Использование единой приемной системы обеспечит соответствующее уменьшение габаритов и веса интегрированной системы.

1.4.1 Влияние гидрометеоров В литературе имеются обширные и в то же время неполные и не всегда согласующиеся друг с другом данные по влиянию гидрометеоров.

Имея в виду задачу грубой сопоставительной оценки затухания волн миллиметрового и ИК диапазонов, обратимся к графику затухания излучения в тумане (метеорологическая дальность видимости (МДВ) – м) и дожде от малой до средней интенсивности.

Рисунок1.4 – График затухания излучения в тумане и дожде Как видно из графика (рис. 1.4), затухание ИК излучения в таком тумане составляет 100 дБ/км и более, что делает канал неработоспособным. При 1мм затухание < 1 дБ/км, что говорит о приемлемых условиях распространения. По более жёстким оценкам < дБ/км при 1мм и видимости не хуже 600 м или при ~3мм и видимости не хуже 300 м. Ниже, на рис. 1.5 представлены зависимости затухания от МДВ для четырёх длин волн.

Рисунок 1.5 – Зависимость затухания излучения от МДВ Сравнение ИК и радиодиапазонов приводит к выводу, что работоспособность в относительно густом тумане может обеспечиваться в диапазоне волн 3 мм. По величине затухания излучения в дожде ИК- и радиоканалы сопоставимы и сохраняют работоспособность (затухание не более 1 дБ/км) при относительно слабом дожде с интенсивностью около 1 мм/ч на трассе длиной около 1 км (распространение в одном направлении), либо при более сильном дожде на части трассы.

Затухание излучения в облаках зависит от их параметров (толщина, водность, концентрация и размеры капель) и для длин волн от 0,48 до 10,6 мкм лежит в пределах (50-650) дБ/км, мало меняясь в зависимости от длины волны. Данные по миллиметровому диапазону ограниченны: в [1,5] приводятся значения затухания для =9 мм в пределах от 0,647 до 1,25 дБ г 3. Там же отмечается пренебрежимо малое затухание, вносимое ледяными облаками. Следует отметить, что существенное значение при работе сквозь облака может иметь изменение затухания при движении носителя аппаратуры за счёт пространственной неоднородности параметров облаков.

Затухание СВЧ колебаний в сухом снеге значительно меньше, чем в дожде, а в мокром – примерно в 2,5 раза больше (при одинаковой интенсивности). О влиянии снегопада на затухание в ИК диапазоне имеется мало сведений, Средней интенсивности снегопада соответствует затухание примерно 3,4 дБ/км, что, по-видимому, больше затухания миллиметровых волн в сухом снеге и меньше – в случае мокрого снега.

Сухой град не ослабляет излучение СВЧ, но покрытые плёнкой воды тающие частицы могут создавать значительное ослабление.

Таким образом, наиболее неблагоприятными для ТГЦ диапазона являются мокрый снег или тающий град.

Затухание оптических волн в дымке при МДВ около 1-2 км составляет 3,4 дБ/км для = 10,6 мкм и 10 дБ/км для = 1 мкм. Данные по затуханию в дымке и пыли недостаточны. По мнению зарубежных специалистов именно в этих условиях (наряду с туманом) волны миллиметрового диапазона обладают преимуществом по сравнению с оптическим (включая ИК область).

В целом приведённые данные свидетельствуют о целесообразности использования излучений в области 3 мм для решения задач обнаружения и, возможно, радионаблюдения в условиях действия тумана, дыма и пыли. При ограничениях на размер приёмной антенны и требовании максимального разрешения рабочий диапазон определяется окном прозрачности 2,6-4,2 мм с затуханием 0,3 дБ/км в чистой атмосфере и 1дБ/км при МДВ 100-300 м при ~ 3,2 мм. Соответствующая средняя рабочая частота составляет 94 ГГц.

1.4.2 Концепция комплексирования тепловизионных каналов Концепция построения комбинированных и комплексированных оптико-электронных систем наблюдения на сложном фоне в интересах военной техники (ВТ) впервые в нашей стране была разработана в Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова в середине 80-х годов.

На первых этапах исследований комплексирование (объединение каналов видимого и теплового диапазонов с наблюдением через один общий объектив) и комбинирование (объединение каналов на одной платформе, но с раздельными объективами) показали существенную качественную и количественную выгоду в решении задач обнаружения, различения, распознавания, слежения и целеуказания при работе по объектам ВТ.

Комплексирование каналов только оптического диапазона спектра электромагнитных колебаний (ЭМК) обеспечивает повышение дальности обнаружения и распознавания объектов в 1,5-3 раза, формируя в пространстве предметов контрасты объектов относительно фона за счёт переотражения солнечной и звёздной радиации в видимом диапазоне 0,4...1,1 мкм и преимущественно за счёт собственного излучения объектов ВТ в тепловом диапазоне 3,2-14 мкм.

Однако уже в те годы высказывались предложения о необходимости дальнейшего расширения диапазонов наблюдения до ультрафиолетового (УФ) (0,17-0,4 мкм) и были выполнены предварительные исследования по дальнейшему расширению теплового диапазона до 30-300 мкм (ТГЦ диапазон спектра ЭМК). При этом анализе необходимо учитывать три эффекта. Во-первых, при определённых длинах волн различные молекулы поглощают излучение, создавая атмосферные окна пропускания между этими полосами поглощения. Такие окна возникают вокруг частот 35 ГГц, 94 ГГц, 140 ГГц и 220 ГГц. Во-вторых, маленькие частицы и аэрозоли могут рассеивать радиацию. Величина рассеивания зависит от длины волны, от размера, формы и коэффициента преломления частиц. Это связано с диапазоном волн, в котором облака, туман и дым вызывают небольшое ослабление по сравнению с их влиянием в видимом и инфракрасном диапазонах. Наконец, в-третьих, когда размер частицы сопоставим или больше, чем длина волны, прохождение излучения затруднено из-за геометрического поперечного сечения частиц, типа дождя.

1.5 ИК материалы Основные принципы построения объективов и оптических систем ИК техники рассмотрены в базовых монографиях и статьях. При выборе оптических материалов для оптики ТПС расчёт приёмных систем предваряется энергетическим расчётом, учитывающим как условия работы приборов, ориентировочно выбранные габаритные характеристики объектива и характеристики выбранных приёмников излучения, так и условия формирования изображений (средняя температура фона, дисперсия температуры фона, минимальная и максимальная температура объекта и т.д.). Основная задача любого тепловизионного прибора заключается в визуализации теплового поля с пространственным периодом в заданном телесном угле за определённое время формирования кадра кадра с требуемым температурным разрешением T для мгновенного поля зрения по горизонтали h и по вертикали v [9, 13]. Исходя из этих основных положений, далее можно рассматривать и вырабатывать требования к оптическим материалам приёмных систем ИК техники. В одной статье отобразить все детали процесса выбора материалов невозможно, но основные предпосылки доступны для краткого введения в поставленную задачу.

1.5.1 Основные положения Приёмные системы тепловидения и интегрированных на их основе систем активно-пассивного наблюдения предназначены для передачи или преобразования света в различных участках спектрального диапазона.

Исходя из этого, можно провести первую сводную классификацию применимых оптических материалов. На рис. 1.6 приводятся грубые оценки спектральных характеристик основных материал ИК техники [10].

Рисунок 1.6 – Прозрачность оптических материалов в ИК области спектра ЭМК Основными оптическими постоянными оптического стекла являются следующие параметры [10,11].

Показатель преломления. Показатель преломления n определяется как отношение скорости распространения электромагнитного излучения в воздухе к скорости его распространения в стекле. Показатель преломления зависит от длины волны излучения. В качестве основного показателя преломления оптического стекла конкретной марки в соответствии с ИСО 7944-84 установлен показатель преломления ne для длины волны 546,97 нм спектральной линии ртути e. Эта линия расположена в зеленой части спектра света в области максимума чувствительности глаза человека.

характеризуются величиной средней дисперсии, представляющей разность показателей преломления для двух относительно далеко отстоящих длин волн. В качестве основной средней дисперсии принята разность показателей преломления nf-nc для длин волн 479,99 и 643,85 нм спектральных линий F и C кадмия, ограничивающих видимую часть спектра (ИСО 7944 - 84):

где n2 и n3 - показатели преломления для длин волн, ограничивающих какой-либо диапазон спектра; n1 - показатель преломления для длины волны, расположенной внутри диапазона.

В качестве основного коэффициента дисперсии, называемого также числом Аббе (ИСО 7944-84), принят:

Именно эти две характеристики позволяют провести дальнейшую классификацию и широко используются расчётчиками оптики при выборе материалов для сопрягаемых оптических элементов.

По мере увеличения номенклатуры выпускаемых стёкол и применения в качестве стеклообразующей основы наряду с кремнеземом других веществ появилась необходимость разграничения стекол «флинт» и «крон» на типы, а внутри типов на марки.

Оптические бесцветные стекла классифицируют по типам в зависимости от значений показателя преломления и коэффициента дисперсии. Для удобства выбора типов и марок стекол строится диаграмма Аббе [10,12] в координатах ne, ve (рис. 1.7). Стекла каждого типа располагаются на поле диаграммы на строго ограниченных участках, за исключением стекол типа ОФ и ОК, которые могут находиться на разных участках поля диаграммы.

Рисунок 1.7 – Диаграмма Аббе в координатах ne, ve 1.5.2 Выбор оптических материалов для приборов ракетной техники В оптическом приборостроении и ракетной технике в последние годы проводятся интенсивные разработки различных материалов, прозрачных в заданных диапазонах спектра ЭМК, а также термически и механически прочных. Среди большого числа материалов, пригодных для создания светофильтров и защитных окон-обтекателей в первую очередь могут быть названы ситаллы и различные керамики.

Ситаллы (стеклокристаллические материалы) – неорганические материалы, получаемые направленной кристаллизацией различных стёкол при их термической обработке. Они состоят из одной или нескольких кристаллических фаз. В ситаллах мелкодисперсные кристаллы (до нм) равномерно распределены в стекловидной матрице. Количество кристаллических фаз в ситаллах может составлять 20-95% (по объёму).

Изменяя состав стекла, тип инициатора кристаллизации (катализатора) и режим термической обработки, получают ситаллы с различными кристаллическими фазами и заданными свойствами (см. табл. 1.2).

Впервые ситаллы были изготовлены в 50-х гг. ХХ в. Материалы, подобные ситаллам, за рубежом называются пирокерамом, девитрокерамом, стеклокерамом.

Таблица1.2 – Свойства промышленных ситаллов О механических свойствах и обобщённых показателях прозрачности можно судить по данным, приводимым в таблице 1.3.

Оптически прозрачные термостойкие и радиопрозрачные химически стойкие ситаллы получают на основе стекол системы Li2О - А12О3 - SiO (сподумено-эвкриптитовые составы); инициатор кристаллизации – ТiO2. В оптически прозрачных ситаллах размер кристаллов не превышает длины полуволны видимого света. Ситаллы, содержащие в качестве основных кристаллических фаз эвкриптит (Li2O·Al2O3·2SiO2) или сподумен (Li2О·Аl2О4·4SiO2), имеют, кроме того, температурные коэффициенты расширения, близкие к нулю, а иногда даже отрицательные – до -5·10-6 К-1.

Области применения – космическая и лазерная техника, астрооптика, ракетостроение [13]. Как уже отмечалось, в ракетостроении для обтекателей-светофильтров головок самонаведения используются ситаллы и керамики на основе полудрагоценных и драгоценных кристаллов.

Рисунок 1.8 – Спектр пропускания отечественного сапфирового окна В настоящее время в головках самонаведения (ГСН) современных противоракетных комплексов (ПРК) используются защитные обтекателисветофильтры на основе сапфиров.

Как уже отмечалось, головка самонаведения американского мобильного ПРК дальнего перехвата THAAD (Theater High Altitude Area Defense) имеет ИК прозрачное сапфировое неохлаждаемое окно.

Характеристики сапфира (корунда) можно рассмотреть по данным, приводимым Санкт-Петербургским малым частным предприятием ЗАО «TYDEX» [14], созданным группой исследователей, несколькими учёными из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН.

Сапфир (корунд) является анизотропным одноосным кристаллом.

Это один из наиболее твёрдых и прочных синтетических материалов. Он обладает химической инертностью и низким коэффициентом трения.

Износостойкость корунда в 8 раз выше, чем у стали. Являясь диэлектриком и термически стабильным материалом вплоть до 1600°С, отечественный синтетический корунд обладает также отличными оптическими свойствами – прозрачностью от 0,17 до 5,5 микрон.

Перечисленные качества корунда делают его незаменимым материалом для работы в жёстких условиях: при высокой температуре и/или давлении, в кислотном или щелочном окружении, когда требуется химическая стойкость, а также при высоких механических нагрузках. Даже в этих тяжелых условиях корунд не теряет своих оптических свойств.

Таблица 1.3 – Физические свойства сапфира Тип кристаллической структуры гексагональная, Зш класс симметрии Диапазон оптической прозрачности, мкм 0,17-5, Показатель преломления (на длине волны n0 = 1,7717; nе = 1, 0,532 мкм) Модуль объемной упругости, ГПа Однако, следует особо указать, что тенденция развития принципов построения ГСН в зарубежных разработках сводится к комбинированию каналов оптического и радиодиапазонов.

Спектральные характеристики американских сапфиров приведены на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – Пропускание сапфировых образцов (USA) различной толщины и кристаллографической ориентации 1.5.3 Выбор оптических материалов для комплексированных систем ИК и ТГЦ каналов формирования изображений субмиллиметровой спектроскопии ИОФ РАН [14].

Как показали экспериментальные исследования сотрудников ФГУП «НПК ГОИ им. С.И. Вавилова» использование единого, целикового защитного окна на ТГЦ и ИК каналы не совсем целесообразно, т.к.

защитные окна из сапфиров либо будут иметь ухудшенные показатели пропускания в ИК канале (сапфиры USA), либо в длинноволновом - ТГЦ канале. Представление о пропускании различных материалов в ИК и ТГЦ диапазонах можно составить по таблице 1.4.

Рисунок 1.10 – Сравнительные данные дисперсии e' и поглощения e" для ММ - СБММ прозрачных материалов при комнатной температуре кристаллических диэлектриков, полупроводников, полимеров. На частотах 1010-1013 ГГц e' не зависит от частоты. В полупроводниках и полимерах Использование в качестве защитных окон полупрозрачных светофильтров из сапфиров и керамик, хорошо пропускающих ТГЦ излучение и полупрозрачных для ИК канала, возможно только до определённой границы ослабления. При этом допустимое ослабление в ИК канале не должно превышать 2 раз.

Таблица 1.4 – Пропускание различных материалов в ИК и ТГЦ КИ (кварцевое стекло) ZnS (сульфид цинка) если не ставить перед собой задачу увеличения разрешения в ТГЦ канале, можно строить систему ИК и ТГЦ каналов с общим входным окном и светофильтрами с использованием кремниевых стёкол;

если задаваться задачами максимального использования возможностей от совмещения ИК и ТГЦ изображений, необходимо применять принцип разделения потоков: для ИК канала выбирать материал окон и светофильтров из Ge, ZnSe (селенида цинка) или ZnS (сульфида цинка), а для ТГЦ канала использовать кремниевую керамику с ограничением её чувствительности в ИК диапазоне.

1.6 ИК приёмники излучения В тепловизионных приборах в настоящее время находят применение самые разнообразные приёмные устройства. На сегодня достаточно отчётливо определились следующие классы приёмных устройств:

фотонные и тепловые.

Фотонные приёмники излучения обеспечивают преобразование падающего потока фотонов в электрический сигнал за счет непосредственного взаимодействия фотонов с электронной подсистемой материала приёмника.

Тепловые приёмники, поглощая поток фотонов, изменяют температуру чувствительного элемента, которая, в свою очередь, вызывает вторичные изменения в приёмнике: изменяется с температурой электропроводность материала или его поляризация. В каждом классе приёмников существуют многочисленные группы, различающиеся типом материала, конфигурацией и общим числом элементов, рабочей температурой и типом охладителя и т.д. Описанию типов приёмников и их характеристик посвящено значительное число работ и справочной литературы [1, 15, 16], сложилась общепринятая физически корректная система описания свойств и характеристик чувствительных элементов приёмников, позволяющая разработчикам ИК систем проводить расчёт и моделирование приборов.

При выборе и обосновании материала приёмников излучения и выборе матриц приёмников излучения для построения ТпВ в расчётах используются известные из литературных источников [17] данные. Так, для выбора материала приёмников при разработке трёхспектральных приёмников излучения с возможностью решения задачи спектральной селекции ориентироваться можно на публикации [15, 18] (таблица 1.5, рис.

1.11).

Рисунок 1.11 – Примеры спектральных характеристик ИК детекторов с внешним фотоэффектом. Показаны Si:In, Si:Ga и Si:As и Si:As Таблица 1.5 – Основные ИК материалы Рисунок 1.12 – Зависимость (теоретический предел, ограничивающий достижения) D* для фотонных и тепловых детекторов LWIR и VLWIR на длинах волн с = 14 мкм и с = 28 мкм, соответственно, при нулевом фоне и фоне 1017 фотонов·cm-2s-1 от температуры приёмника [19].

Теоретическое значение обнаружительной способности для тепловых детекторов, имеют гораздо меньшую температурную зависимость, чем для фотонных детекторов. При температуре ниже 50 K и нулевом фоне тепловые детекторы LWIR характеризуются более низкими значениями D*, чем фотонные. Тем не менее, при температурах выше 60 К пределы показывают преимущества тепловых детекторов. При комнатной температуре обнаружительная способность тепловых детекторов гораздо лучше, чем у фотонных детекторов LWIR. Интересно отметить, что теоретические кривые D* для фотонных и тепловых детекторов показывают, что аналогичные основные ограничения наблюдаются при низких температурах. Подобные соображения были проведены для детекторов сверхдлинноволнового инфракрасного излучения (VLWIR), работающих в дальнем спектральном диапазоне. Результаты расчётов показывают, что детекторы, работающие в этом диапазоне, – это криогенные Si и Ge с внешней фотопроводимостью и криогенные тепловые детекторы, т.е. обычные болометры.

Детализацию знаний о достигнутых результатах по предельной чувствительности FPA ИК излучения из HgCdTe при заданной температуре охлаждения матрицы FPA можно составить по данным из обзора [16] и работ [19, 20]. Данные приведены на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13 – Обнаружительная способность FPA из HgCdTe в Объяснение высоких значений пиковой обнаружительной способности D* для MWIR на фотодиодах FPA из HgCdTe проясняются из рассмотрения графика (рис. 1.14) спектральной зависимости коэффициента адсорбции для приёмников, чувствительных в диапазонах MWIR и LWIR.

Как видно из графика, заимствованного из работ [16, 21], приёмники из InSb и Hg0,73Cd0,27Te имеют близкие спектральные характеристики в области MWIR как при температуре приёмников 300 К, так и при температуре 77 К, а приёмники на фотодиодах со структурой Hg0,79Cd0,21Te простирают свою чувствительность в область LWIR. При этом дальняя граница чувствительности приёмников существенно зависит от температуры охлаждения приёмников.

Рисунок 1.14 – Коэффициент поглощения для различных материалов фотоприёмников в спектральном диапазоне 1-14 мм Выбор ФПУ для работы в условиях наблюдения на этапе выхода из плотных слоёв атмосферы носит сложный и противоречивый характер. С одной стороны, безусловными выводами являются следующие теоретические и экспериментальные данные:

Матрицы на основе силицида платины PtSi являются наиболее однородными с характерной неоднородностью элементов от 0,5% до 1%.

Для JnSb эта неоднородность в настоящее время составляет от 5% до 10%, а для КРТ от 10% до 20%. Неоднородности, получаемые после изготовления матрицы, могут быть скомпенсированы электрическим путём, путём накопления информации о неоднородностях в то время, когда матрица «смотрит» на однородный фон, с последующим вычитанием этих неоднородностей поэтапно по отношению к случаю, когда матрица «смотрит» на реальную среду.

В лабораторных условиях при этом было достигнуто десятикратное уменьшение геометрического шума. В натурных условиях компенсация неоднородностей может оказаться более трудной задачей, т.к.

распределение неоднородностей может зависеть от температуры. По результатам модельных расчётов и лабораторных испытаний неоднородности могут быть выровнены до 0,05%. В этом случае матрица из КРТ имеет явное преимущество перед PtSi. Если достигнуть указанной компенсации для матрицы из JnSb, она будет особенно эффективна для диапазона 3,2-5,2 мкм.

Потеря эффективности матриц из PtSi при низких температурных контрастах обусловлена к тому же ее низкой квантовой эффективностью на более длинных волнах. Однако достигнутый к настоящему времени более высокий уровень развития матриц из PtSi оставляют их достаточно конкурентоспособными.

1.7 Общая оценка и расчёты Общую оценку теоретически достижимых и достигнутых (по данным на 2003 г. [16]) характеристик наиболее значимых приёмников ИК излучения при выбранных температурах охлаждения элементов можно составить из анализа рис. 1.15.

Однако, как показано в [17], при оценке тепловизионных приборов не целесообразно проводить сравнение приёмников по предельно достижимой обнаружительной способности D*. По этой причине выбор критериев сравнения и оценки приёмников ТпВ в [17] проводится по интегральным параметрам коэффициента эффективности, определяемого в зависимости от необходимого количества приёмников с исследуемым типом материала FPA (методика И.М. Фроимсона, см. 1.7.1).

В последние годы за рубежом активно ведутся разработки как активных, так и пассивных систем обнаружения и получения изображения в длинноволновом диапазоне на основе антенных микроболометров (АМБ). В этой области спектра они превосходят по характеристикам диоды Шоттки.

В период 1990-98 гг. в ГОИ совместно с ФТИ и ЛЭТИ были разработаны чувствительные элементы антенных высокотемпературных сверхпроводниковых микроболометров с NEP 1,510-12 Вт/Гц1/2 при постоянной времени около 150 нс, что находилось на уровне зарубежных образцов.

В связи с этим задача создания комплексированных приборов на область спектра 8-14 мкм, имеющих дополнительные каналы в субмиллиметровом диапазоне (30-300 мкм), является актуальной и требующей разработки двухканальных ФПУ на указанные диапазоны.

Эти задачи были поставлены в США с 1990 года в исследовательской программе Adaptive Focal Plane Array (AFPA) program at DARPA since 1990.

Менеджер этой программы Mr. Raymond Balcerak [22] кратко характеризует методологию программы в документе [98]: полная цель адаптивные фокальные матрицы (AFPA); программа должна создать высокоэффективные фокальные матрицы (FPA), которые являются широко настраиваемыми по всему диапазону волн в инфракрасном спектре (IR) (включая короткие инфракрасные волны (SWIR), средние инфракрасные волны (MWIR), длинные инфракрасные волны (LWIR) и волны ТГЦ диапазона, что позволяет создавать полноформатные многоспектральные изображения.

Рисунок 1.15 – Сравнение обнаружительной способности D* различных коммерчески доступных инфракрасных детекторов и их спектральной чувствительности при указанной температуре. Рабочая частота – 1000 Гц для всех детекторов, кроме термобатареи (10 Гц), термопары (10 Гц), термистора (болометра) (10 Гц), ячейки Галлея (10 Гц) и пироэлектрика (10 Гц). Пунктирными линиями показаны теоретические кривые, ограничивающие предельные значения D* для идеальных фотопроводящих, фотоэлектрических детекторов и тепловых детекторов.

PC – фотопроводящие детекторы; PV – фотоэлектрические датчики;

Отработка матриц велась и ведётся по пути расширения диапазона чувствительности ее элементов и совершенствования параметров чувствительности по ряду технологических направлений, о которых можно составить представление по обзорным публикациям. В настоящее время, судя по публикациям и материалам конференций, за рубежом активно ведутся разработки приборов и систем как пассивного, так и активного наблюдения и получения изображения в интересах таможенного досмотра и охраны границ, биомедицинских и космических исследований. Для астрономических наблюдений разрабатываются более чувствительные приемные системы на основе АМБ, охлаждаемые жидким гелием (4,2 К) для космических приборов. Сообщалось о NEP = 1,410-14 Вт/Гц1/2.

Плёночное исполнение позволяет изготавливать линейки и двухмерные матрицы.

В силу сказанного комплексирование аппаратур, работающих в разных диапазонах, является одной из основных тенденций при разработке различных обнаруживающих и распознающих систем гражданского и военного назначения.

В статьях представлены краткие обзоры состояния работ по мультиспектральным системам, приведены характеристики базовых двухспектральных систем, перечислены проблемы и указаны перспективные направления исследований в этой области.

Отмечается, что в последние годы:

разработан унифицированный ряд многооконных модулей, предназначенных для использования в оптико-электронных системах (ОЭС) различного назначения;

созданы макетные образцы модулей матричных двухоконных фотоприёмных устройств (ФПУ) на 3–5 и 8–12 мкм на основе структур с квантовыми ямами (КЯ) и матричных микроболометрических приёмников излучения.

В наибольшей степени требованиям на разработку многооконных систем удовлетворяют фотоприемники на основе квантово-размерных эффектов (КРЭ), физические структуры которых могут быть получены методами молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), позволяющей формировать на подложке монокристаллические полупроводниковые слои с необходимыми свойствами вплоть до моноатомной толщины. В качестве технологического обеспечения для указанных работ могут быть использованы, например, результаты разработки гетеро-эпитаксиальных структур GaAs/AlGaAs и GaAs/CdHgTe методом МЛЭ. Такие структуры были названы матричными ИК приёмниками на квантово-размерных колодцах – матричными QWIP.

В матричном QWIP каждый слой представляет собой так называемый квантовый колодец, способный удерживать в плену электроны до тех пор, пока они не будут освобождены фотоном строго определённой частоты. Тогда этот электрон улавливается и направляется во внешнюю цепь считывающим слоем, формирующим изображение.

Именно технология, позволившая создать последовательно более 100 квантовых колодцев, обеспечила матричному QWIP широкий диапазон восприятия внутри инфракрасной области спектра, а в последующем и в области субмиллиметрового диапазона.

В 90-е годы ХХ века появились ТпВ на матричных QWIP с высокой технологичностью, воспроизводимостью, однородностью параметров по элементам. Типичный размер матриц: 256256, 320240, 320256, и 10241024 элемента. Чувствительность QWIP матриц довольно высока: у лучших приборов Noise equivalent temperature difference (NETD) даже ниже 10 мК, типовых – 20 мК, средних – 35 мК. В будущем есть возможность перейти от гибридных структур фокальных матриц к монолитным.

Промышленно-реализованные матричные QWIP иллюстрируются материалами спецификации фирмы FLIR (США) опубликованными ее подразделением INDIGO.

Таблица 1.6 – Материалы спецификации на QWIP матрицу ISC (стандарт) Расширение области чувствительности этих фокальных фотоприемных матриц, первоначально названных оптоэлектронными приборами с QD (наноструктуры с так называемыми квантовыми точками – quantum dots) и получивших впоследствии название матричных QWIP, осуществлялось постепенно.

Принципы расширения чувствительности матричных QWIP были описаны в статьях российских исследователей и в исследовании зарубежных специалистов и заключаются в том, что варьированием размеров двух квантовых колодцев, расположенных на нанометровых расстояниях друг от друга, и управлением электрических смещений в каждом из колодцев, можно добиться взаимодействия удерживаемых электронов с фотонами разных областей спектра. На рисунке 1.16 показано области чувствительности двухспектрального матричного QWIP по патенту USP 20050258415.

Рисунок 1.16 – Области чувствительности двухспектрального матричного QWIP по патенту USP 20050258415, 24 ноября, 2005 [54] В результате последних разработок в ГОИ подошли к построению тепловизионных систем третьего поколения и выработали технологические и конструктивные решения по построению комплексированных систем широкой области спектра.

1.7.1 Расчёты коэффициента эффективности в зависимости от количества элементов приемников В настоящем разделе рассматриваются результаты расчёта сравнительных графиков зависимости коэффициента эффективности от количества элементов приёмников на материалах GeHg, CdHgTe, PbSe, матричных QWIP и матричных микроболометров, а также сравнительных графиков зависимости количества необходимых пикселей от требуемого разрешения (пространственной частоты).

В каждом классе приёмников существуют многочисленные группы, различающиеся типом материала, конфигурацией и общим числом элементов, рабочей температурой и типом охладителя и т.д. Описанию типов приёмников и их характеристик посвящено значительное число работ и справочной литературы [15,16], сложилась общепринятая физически корректная система описания свойств и характеристик чувствительных элементов приёмников, позволяющая разработчикам ИК систем проводить расчёт и моделирование приборов. Вместе с тем, в классификации собственно ИК приборов, особенно тепловизионных, такая устойчивая система до настоящего времени отсутствует. На основе статьи [17] Д.И. Тодоровым была разработана программа расчета для проведения анализа материалов ИК приемников, наиболее предпочтительных для решения задач технического задания.

В результате исследований получены следующие данные, характеризующие целесообразность использования определённого типа приёмника. Пусть необходимо создать ТпВ со следующими параметрами:

мгновенные поля зрения по вертикали и горизонтали h v 110 рад;

NETD = 0,1 K; минимальный наблюдаемый пространственный период 2 104 рад ; угловое поле зрения 3 3 угл. град 2 ; угловая скорость панорамирования (ведётся только по горизонтали) 0.1 рад / c ; время формирования кадра кадра 30 10 c ; опт 1 ; рабочая область спектра – в окне прозрачности атмосферы 7-15 мкм. Тогда, пользуясь формулами из статьи И.М. Фроимсона, можно найти соответствующий этим параметрам коэффициент эффективности приёмника:

Зная параметры приёмника, можно рассчитать число элементов его матрицы, необходимое для получения заданных параметров:

Если взять в качестве приёмного устройства матрицу из GeHg с размером элемента диапазоном 7...15 m при температуре наблюдаемых объектов 300 K, то получим, что необходимое число пикселей равно 1818. Для матричного QWIP с такой же площадью элемента, i 10 10 с и 7... понадобится 6161 пикселей. Для КРТ приёмников ( i 100 10 с ), в зависимости от размера чувствительного элемента, понадобится или 21x21 ( S 0.003, 8...10,5 ) пикселей. Постановка этих исследований базируется на статье [17]. Обнаружительные способности приёмников на GeHg, QWIP и КРТ взяты из графиков на рисунках 1.15 и 1.17.

Рисунок 1.17 – Обнаружительные способности приёмников на GeHg, Графики зависимости количества пикселей от пространственной данных для приёмников из PbSe и микроболометрических приёмников, взятых из статьи И.М. Фроимсона [17], выглядят так (графики разбиты на три пары, в каждой сравниваются все указанные типы приёмников с одним из КРТ при малых частотах и все, кроме болометра – при больших ):

Графики зависимости количества пикселей от пространственной частоты для приёмника на основе твёрдого раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ) с площадью в 0,004 см2 приведено на рисунке 1.18.

Рисунок 1.18 – Графики зависимости количества необходимых пикселей от Таким образом, на разных промежутках пространственных частот наиболее экономичными в смысле числа элементов оказываются разные типы приёмников.

Так выглядят графики зависимости коэффициента эффективности от количества элементов.

Графики зависимости коэффициента эффективности от количества элементов для приёмника КРТ с площадью в 0,004 см2 приведено на рисунке 1.19.

Подход к классификации приёмников излучения и ТпВ на их основе, предложенный автором статьи [17], является более объективным и практически полезным для выбора материалов приёмников ИК излучения, поскольку отражает реальные физические ограничения, присущие тому или иному типу приёмных устройств, а также позволяет оценить экономическую сторону решения технической задачи по созданию ТпВ требуемого уровня эффективности.

Анализируя полученные результаты расчёта, можно прийти к следующим выводам.

Рисунок1.19 – Графики зависимости коэффициента эффективности от количества элементов Среди охлаждаемых ИК приёмников излучения наиболее предпочтительными оказываются приёмники на основе GeHg и КРТ (CdHgTe). Однако для приёмников из GeHg требуется охлаждение до 27 К, в то время как приёмники на КРТ требуют охлаждения до 77 К.

1.7.2 Расчёт чувствительности канала ТпВ Расчет чувствительности ТпВ – канала выполняется по формуле:

где - отношение сигнал/шум; Фп.е. = 1/D – спектральный порог чувствительности приёмника излучения, Втсм-1Гц-1/2; D – удельная обнаружительная способность приёмника излучения в максимуме его спектральной характеристики, определённая на электрической частоте, при которой спектр напряжения шума приведён к единице, смГц1/2Вт-1; Апр – площадь приемника излучения, у которого размеры по горизонтали и вертикали равны, см2; fш – эквивалентная шумовая полоса усилительного тракта, Гц; Т – температура фона, К; dэф – эффективный диаметр входного зрачка оптической системы, см; - мгновенный угол поля зрения ТпВ, рад;

n – количество приёмников, работающих в режиме задержки и накопления (ВЗН); эф – эффективная относительная спектральная полоса пропускания приёмников;

– относительная спектральная характеристика потока излучения объекта (например, водной поверхности); Sотн() - относительная спектральная характеристика чувствительности приёмника излучения;

Для измерения Т в лабораторных условиях используется четырехштриховая мира, образующая квадрат. Отношение длины штриха к его ширине (формат) – 7 : 1. Вводится также некоторый показатель сл – уровень сложности решаемой задачи.

Если цель отлична по формату от миры (7 : 1), то для коррекции по формату вводится множитель 7, где – отношение длины к ширине отдельно разрешаемых штрихов эквивалентной миры, которая замещает цель в пределах прямоугольного контура. Для решения задачи обнаружения показатель сл принимается равным 1, при опознавании сл=4.

Разность температур Т между целью и фоном (кажущаяся разность температур) будет меньше из-за ослабления излучения в атмосфере Татм.

приборного ослабления; - пространственная частота, период/мрад; Т0 – точка пересечения кривой спада облучения с осью у (характеризует чувствительность прибора в целом). При отношении сигнал/шум = 1 (50% вероятность решения задачи) дальность действия системы:

где S – размер цели, м; атм – коэффициент ослабления атмосферой;

Таким образом, для расчёта дальности действия используются следующие характеристики:

характеристики ТпВ;

показатель уровня сложности задачи с числом пар линий, укладывающихся на минимальный размер объекта;

параметры целей;

атмосферные условия.

Уточнённая дальность действия с учётом вероятности обнаружения:

В соответствии с приведёнными соотношениями построена функция обнаружения ТпВ для нахождения дальности по тепловому контрасту квадратных объектов.

Результаты расчёта для МДВ = 20 км, = 1, = 3,2, А1 = 0,1 м2, А2 = = 1 м2, А3 = 10 м2, А4 = 100 м2 приведены на рис. 1.20.

Как видно из приведённых графиков, возможность обнаружения объектов на дистанции, равной МДВ, по ИК каналу ТпВ для целей с различными площадями достигается при различных превышениях температуры объектов Т над окружающим фоном.

- для целей А4 с площадью 100 м2 Т=1,78 К;

Рисунок 1.20 – Функция обнаружения ТпВ для нахождения дальности по тепловому контрасту квадратных объектов 1.7.3 Выбор спектральных диапазонов в неблагоприятных условиях наблюдения Типичные значения коэффициентов пропускания некоторых типов излучения приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7 – Типичные значения коэффициентов пропускания Примечание Материалы семинара по методам и средствам морской разведки, состоявшегося в Лондоне 23 - 25 февраля 1998г Таким образом, когда атмосфера пропускает только 1% видимого света, количество пропускаемого ИК излучения в диапазоне 8-12мкм составляет 22%.

В процессе морских испытаний тепловизионного канала, установленного на платформе прицеливания 9LV – 200 – Швеция (фирмы Philips – Швеция, Филипс USFA Голландия, Mullarg LTD – Великобритания (приёмник)) при МДВ20 км получена дальность обнаружения цели (имитатор – чернёный сосуд диаметром 40 см, заполненный водой, с нагревателем и датчиком температуры, расположенный на буксируемой платформе на высоте 3 м)–7км. Даже при плохой метеовидимости (МДВ 2-3 км) при Т=30 К цель обнаруживалась на дальности L > 4 км.

Исходя из приведённых соображений, надо полагать, что наиболее приемлемым диапазоном в телевизионном канале является окно прозрачности 8-12 мкм. Использование указанного диапазона вместо диапазона 3-5 мкм диктуется также тем, что в нем примерно в 10 раз меньше помехи от излучения неоднородностей небосвода, переотраженного от взволнованной морской поверхности. Это особенно важно при захвате и сопровождении низколетящих целей Перспективы повышения эффективности современных систем наблюдения связаны с обеспечением их работоспособности с учётом требований всепогодности, помехозащищённости, независимости от условий естественного освещения и других факторов. Одним из путей решения этой задачи является создание многоканальных комплексированных систем, работающих в широком спектральном диапазоне.

В частности, эффективному применению ТПС препятствует ряд ограничений, связанных с выравниванием температурных контрастов при отсутствии суточного изменения температуры, ухудшением пропускания ИК излучения в атмосфере при наличия тумана, пыли, дымовых завес. В то же время затухание субмиллиметрового излучения в указанных средах значительно меньше.

Интегрирование указанных диапазонов позволит получить большую дальность действия и всепогодность при угловой разрешающей способности, свойственной ИК диапазону. Использование единой приемной системы обеспечит соответствующее уменьшение габаритов и веса интегрированной системы.

1.8 Анализ состояния с разработкой топологии болометрических приёмников В настоящее время разработкой микроболометрических матриц (МБМ) и тепловизионных устройств на их основе занимаются ведущие фирмы США, Европы, Японии, Кореи, Австралии. МБМ непрерывно совершенствуются [23, 24, 25, 26]. Данные, приведённые в табл. 1.5 и 1.6, иллюстрируют прогресс, который был достигнут за последние годполтора. В табл. 1.51.8 и 1.61.9 даны примеры зарубежных разработок МБМ и модулей на их основе по состоянию на апрель 2008 г.

Повышается уровень всех основных характеристик: температурного разрешения (“рекорд” прежнего периода — 30-50 мК, а текущего — 10-30 мК); пространственного разрешения (минимальный шаг элемента снизился с 46-47 мкм до 15-28 мкм); формата (фирма Lockheed Martin сообщила о ведущейся разработке матрицы с числом элементов разложения 640480).

Таблица 1.8 – Зарубежные микроболометрические матрицы (модули)