Оптико-электронные системы

align="LEFT" hspace="13" />

₁

> t

₂ > t

0

-V

время

t₁

Рис. 36. Диаграмма напряжений S₁,S₂ к рис. 35

Изображение с помощью матрицы ПЗС можно получить двумя способами.

В первом случае (рис.38 а) облучаемая матрица ПЗС считывается путем переноса индуцированных зарядов вдоль каждой строки к выходному регистру, представляющему столбец элементов ПЗС, используемых в мультиплексном режиме. Заряды каждого столбца одновременно передаются соседнему столбцу. В результате каждого такого шага выходной регистр заполняется новой информацией, которая тут же считывается и передается видеоусилителю. Рабочая частота устройства очень высока, поскольку требуется очень большая скорость переноса.

Во втором случае информация с элементов облученной матрицы передается в матрицу памяти, имеющую ту же структуру и затем мультиплексируется выходным ПЗС-регистром. Этот метод позволяет согласовать время накопления сигнала от излучения в течениие одного кадра, время очень быстрой передачи информации в матрицу памяти и время считывания. Таким образом рабочая частота оказывается существенно сниженной (рис.38 б).

14. Приборы с инжекцией заряда (ПЗИ) (рис.39, 40)

ПЗИ работают аналогично ПЗС с той лишь разницей, что в случае ПЗИ возникает ток в подложке благодаря инжекции зарядов, составляющих видеосигнал. Этот ток пропорционален числу принятых фотонов.

Мозаичные структуры ПЗИ состоят из набора элементарных ячеек – два прозрачных электрода нанесены на подложку п-типа и разделены полученной диффузией областью р-типа.

Рис. 37. ИК-ПЗС-фотоприемник

1. Приемник излучения

2. Ключи переноса

3. ПЗС

4. Выходной диод

5. Виделсигнал

6. Электрод управления ключами

7. Электроды управления ПЗС

Рис. 38 Матричный ПЗС – фотоприемник

1. Фоточувствительная структура

2. Выходной регистр

3. ПУ видео

4. Видеосигнал

5. Управляющий генератор строчной развертки

6. Управляющий генератор кадровой развертки

Рис.39

Рис.40. Топология мозаики ПЗУ

1.Фоточувствительная структура

2.Строчный сдвиговый регистр

3.Кадровый сдвиговый регистр

4.Элемент, с которого происходит считывание

75

15. Системы охлаждения приемников излучения

Чтобы повысить обнаружительную способность ИК ФП нужно “заглушить” собственное излучение чувствительного элемента и примыкающих к нему элементов (подводящих электродов, диафрагму поля зрения) Это достигается охлаждением приемника до температур, при которых шум собственного излучения становится пренебрежимо малым.

Кроме того охлаждение очень маленьких чувствительных элементов с малой теплоемкостью позволяет предотвратить чрезвычайный их нагрев под действием интенсивного и продолжительного облучения, наконец охлаждение примеников уменьшает шум от теплового возбуждения носителей заряда внутри чувствительного элемента, т.е. повышает обнаружительную способность.

В настоящее время существует три способа охлаждения:

• сжиженными газами;

• криогенными машинами;

• за счет эффекта Джоуля – Томсона;

• за счет термоэлектрического эффекта.

1. Охлаждение сжиженными газами

Обычная конструкция

• сосуд Дьюара (рис.41).

Хладоагенты:

• жидкий азот (77 К)

• жидкий гелий (4,2 К)

• жидкий водород (20,3 К)

Сосуды Дьюара обеспечивают одной заливкой 3-4 ч. работы приемника.

15. Охлаждение за счет эффекта Джоуля – Томсона

Этот метод охлаждения основан на эффекте понижения температуры при быстром дросселировании газа под высоким давлением (20-40 Мпа). Получаемый перепад Т невелик, поэтому необходим теплообменник, использующий полученный холод для понижения температуры газа перед дросселированием.

Выпущенный охлажденный газ, поднимаясь к выходу из сосуда Дьюара, отбирает тепло (рис.42) от спирали, охватывающей трубку с газом высокого давления и охлаждает её. Через насколько минут вблизи чувствительного элемента приемника образуется несколько капель жидкого азота.

15. Криогенные машины

Это машины с замкнутым циклом для непрерывной выработки холода механическим путем за счет расширения предварительно сжатого газа. Машины работают на основе различных термодинамических циклов.

Рис.41.Сосуды Дьюара (стеклянный и металлический)

Цикл Стерлинга

Это замкнутый цикл, основанный на процессе регенерации при постоянном объеме; фазы сжатия и расширения изотермические.

Цикл имеет четыре фазы:

• сжатие при постоянной температуре Т, в камере А (рис.43);

• переход газа через регенератор (здесь газ охладится до температуры Т₂) в камеру В;

• расширение газа в камере В при Т₂ с поглощением тепла из окружающей среды;

• возврат газа в камеру А.

Вытесняемый поршнем камеры В при прохождении через регенератор газ отбирает тепло. Поглощение тепла от окружающей среды происходит благодаря тепловому контакту с металлическим стержнем, находящемся в сосуде Дьюара.Особенность машины данного цикла – малые габариты и малое потребление мощности.

Цикл Джифорда Мак – Магона

Фазы цикла этой машины основаны на тех же принципах сжатия и расширения, что и в цикле Стерлинга.

• Поршень находится в нижней части цилиндра, впускной клапан V₁, открыт, давление в регенераторе резко поднимается (рис.44)

• Впускной клапан V₁ закрыт, и поршень перемещается в верхнюю часть цилиндра (расширение-генерация холода).

• Выпускной клапан V₂ открыт, поршень перемешается в нижнюю часть цилиндра, газ отбирает тепло в регенераторе и понижает его температуру.

• Следующий цикл такой же, но газ предварительно охлаждается, проходя через регенератор.

Следует упомянуть и машины с разомкнутым циклом, которые включают фильтр, компрессор, осушитель и теплообменник с использованием эффекта Джоуля –Томпсона. Эти устройства по существу заменяют в системах раздела 14.2 баллон со сжатым воздухом на компрессор, выигрывая в габаритах и надежности.

Рис.42 .Холодильник с использованием эффекта Джоуля-Томсона

1-баллон с азотом под давление, 2-фильтр для очистки газа,

3-теплообменник с использованием эффект Джоуля-Томсона,

4- сосуд Дьюара, 5,6 -спиральная обмотка для улучшения теплообмена,

7- дросселирующее отверстие, 8- охлажденный газ

Рис.43. Цикл Стирлинга.

1-регенератор; 2-отвод тепла, 3- подвод тепла

Рис.44. Цикл Джиффорда – Мак-Магона

1-регенератор;2-компрессор

15. Термоэлектрическое охлаждение

I

Q

Пр-к 2

Пр-к I

Термоэлектрический эффект Пелтье состоит в поглощении или выделении тепла на спае двух различных металлов или полупроводников, когда по этим проводникам протекает электрический ток . Если Е₁ и Е₂ термоэдс первого и второго спаев, то количество тепла, получаемого на спае при температуре Т(К) выражается формулой : Q=(Е₁ - Е₂)xTxI.

Q

Один каскад конструкции на основе Bi₂Te₃ позволяет получить температуру

(-30)С, два каскада (-75 ), шесть (-100)

16. Сканирующие системы

Для преобразования многомерного оптического сигнала в одномерный электрический, содержащий адекватную информацию о распределении параметров оптического сигнала, в ОЭП используется сканирование – процесс последовательной, непрерывной или дискретной, выборки значений оптического сигнала. Наиболее часто в ОЭП выполняется преобразование пространственного распределения потока излучения в видеосигнал. Поэтому процесс сканирования в этом случае есть последовательный просмотр сравнительно большого поля обзора малым мгновенным полем.

Важной функцией сканирования является повышение помехозащищенности ОЭП. Действительно, применение малого мгновенного поля зрения при обзоре большого пространства, содержащего малоразмерный объект на фоне помех, безусловно более предпочтительно, чем выполнение той же операции прибором с большим полем зрения.

Сканирующие системы могут быть классифицированы различным образом:

• по способу разложения поля обзора (одноэлементное, параллельное, последовательное, комбинирование).

• по физической сущности явлений, лежащих в основе работы сканирующей системы (механические, оптико-механические, фотоэлектронные, ультразвуковые и т.д.)

• по пространственному признаку (одномерные, двумерные).

При одноэлементном сканировании малое мгновенное поле зрения может быть просмотрено , как показано ниже на рисунке, по самым различным траекториям.

При параллельном сканировании все поле OYLX просматривается одновременно по горизонтальным строкам, например, путем перемещения линейки ФП , ориентированной перпендикулярно направлению сканирования.

При последовательном сканировании линейка ФП ориентирована параллельно направлению сканирования каждую точку пространства просматривают все элементы. Сигналы от них поступают на линию задержки и в сумматор. В этом случае возможно не только осреднение сигнала, но и получение большого разрешения в (n) раз при усложнении электронной схемы и повышении стоимости ОЭП, которые могут быть несопоставимы с достижимым преимуществом.

При параллельно-последовательном сканировании просмотр поля зрения обеспечивается матрицей.

16. Траектории сканирования при регулярном поиске

В оптико-электронных приборах используются различные траектории сканирования. Вид конкретной траектории определяет прежде всего форму контролируемой области поля обзора (форму растра).

Круглая форма поля образуется осесимметричными траекториями, которые создаются за счет двух составляющих сканирования. Одной из них является вращательное движение с постоянной скоростью, второй – как вращательные, так и колебательные движения.

Прямоугольная форма поля создается двумя колебательными перемещениями, хотя в некоторых случаях используются сочетания вращательного и поступательного движения.

Осесимметрические траектории сканирования могут быть разделены на ряд классов в зависимости от типа слагающих движений и соотношения между их скоростями. При этом различают спиральную и розеточную траектории сканирования.

Траектории сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля.

Архимедова спираль образуется, когда за время одного колебания вдоль некоторой оси ОУ последняя совершает несколько оборотов вокруг неподвижной точки О (рис.45).



r

a

а-шаг спирали.

Рис.45

Для осмотра поля обзора без (2r) пропусков размер мгновенного поля зрения должен быть равен (а).

Если при колебательно-вращательном движении сканирующего поля за время одного оборота совершается несколько колебаний, то создается розеточная траектория (рис.46, 47,48)





y y



t

0 T/2