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.

 

 15.1. 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.

 

15.2.  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.

 

   15.3. 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

   15.4. Термоэлектрическое охлаждение

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

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 (Ön) 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.

 

 

 

 

 

 

 

16.1.  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).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                  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)

w

u

         y                                    y

 

 

                u                        

 

                                                                                                                             t

 

                                                 0              T/2             T                           2T

                                                  

                                                      Рис.46.

Розеточная траектория характеризуется числом лепестков N, которое определяется угловой скоростью вращения w, линейной скоростью и амплитудоколебания r

,

где

          В зависимости от соотношения между r, радиусом поля обзора R, а также направления и начала сканирующего колебания изменяется характер заполнения поля линиями сканирования изменяется.

         Траектории сканирования при вращательно-вращательном движении достаточно наглядно представлены на рис. 49-51.

 

Траектории сканировании при колебательных перемещениях.

 Колебательные перемещения сканирующего поля в двух взаимно перпендикулярных направлениях позволяют осуществить так называемую построчную и прогрессивную траекторию сканирования. В этом случае в процессе развертки сканирующее поле (СП) перемещается слева направо и одновременно смещается на ширину строки вниз. Пройдя одну строку, СП быстро перемещается влево и затем процесс повторяется до заполнения кадра –поля обзора. Для получения равномерного движения СП вдоль строки или кадра перемещения его в исходное положение необходимо обеспечить пилообразный закон движения (рис.52). В заключении приведём рис.53, который иллюстрирует некоторые специальные траектории сканирования.

 

   16.2. Типы сканирующих устройств

 

Обычно различают ОЭП с фотоэлектронным сканированием, сканирование электронным лучом, сканирование световым лучом, оптико-механическое сканирование.

 

Сканирование электронным лучом (СЭЛ)

СЭЛ осуществляется в телевизионных передающих трубках (иконоскоп, супериконоскоп, ортикон, диссектор, видикон и др.).

Большинство современных передающих трубок являются фотоэлектрическими приемниками излучения с внешним фотоэффектом,обладающим достаточной чувствительностью в области длин волн до ~1,2 мкм.

В ряде случаев в качестве фотокатода в трубках используются фоторезистор, т.е.явление внутреннего фотоэффекта, что сдвигает область чувствительности до 2-2,5 мкм.

           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

            Рис.47. Розеточная траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                        Рис. 48.Траектория сканирования при колебательно-вращательном движении сканирующего поля для r<R: а- спиральная, б- розеточная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

           Рис.49 Спиральная а) и розеточная б) траектории сканирования при

            вращательно-вращательном движении сканирующего поля при 2r=R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         

 

         

 

            Рис.50 Спиральная траектория для случая 2r<R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      Рис. 51. Розеточная траектория для случая 2r<R

 

 а)

 

 

 

 

 

 

 

                         Т                     Т                     Т

 

 

  б)                                               

 

 

             

 

 

 

 

                                                                          t_пр                    t_обр.

                                                                           T

 

          Рис. 52. Построчная или прогрессивная траектория сканирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.53.  Некоторые специальные траетории сканирования: а- гусеница: б – следящая развертка

Наибольшее распространение в автоматических ОЭП получили диссектор и видикон, соответственно системы мгновенного действия с накоплением.

В системах мгновенного действия энергия излучения каждой точки обозреваемого поля преобразуется в сигнал только в течение времени прохождения через неё сканирующего луча. Это время существенно меньше времени обзора всего поля, т.е. здесь не используется возможность накопления энергии.

В системах c накоплением осуществляется суммирование энергии излучаемой данной точкой поля в течении всего времени обзора, что позволяет повысить их чувствительность по сравнению с системами мгновенного действия.

           Пояснить работы  системы с накоплением удобно на примере устройства иконоскопа.

Фотокатод телевизионной трубки (мишень) можно представить в виде большого количества отдельных, изолированных друг от друга фотоэлементов, соединенных последовательно с источником э.д.с. [(см. рис. 54), R– сопротивление нагрузки, С – распределенная емкость фотокатода].

Под действием излучения одной из точек i поля обзора происходит заряд конденсатора С_i фототоком I₃ в течение времени работы ключа К- времени экспозиции.

Системы с накоплением относительно сложны в эксплуатации, требуют стабилизации источников питания и боятся сильных засветок. В связи с этим, несмотря на меньшую чувствительность, в ОЭП широко используются диссекторы.

Диссектор

Его принцип действия заключаетсяв следующем. Полупрозрачный фотокатод (рис.55), на котором проектируется изображение светящегося объекта, испускает внутрь трубки фотоэлектроны в количестве, пропорциональном его освещенности. Образовавшееся электронное изображение переносится с фотокатода к электронному умножителю с помощью электрического и магнитного поля.

Для получения сигналов от всех элементов изображения производится развертка с помощью магнитной системы (5)/ 4- ускоряющее поле/.

Диссекторы выпускаются с различными типами фотокатодов, обеспечивающих чувствительность от УФ до ближней ИК области длин волн.

                                              Видикон (рис.56)

На полупрозрачную сигнальную пластину (металлическую) 1 нанесен слой полупроводника 2. Фотоизображение считывается электронным лучом. Нормальное падение последнего обеспечивается сеткой вблизи сигнальной пластины. Электронный луч, перемещаясь по мишени, оставляет на ней электроны, приводя потенциал участка полупроводника к потенциалу катода. Чем меньше освещенность участка мишени, тем больше сопротивление полупроводника, тем меньше, следовательно, необходимо электронов для компенсации изменения заряда, т.е. считывания рельефа изображения.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.54. Схемы передающей телевизионной трубки с накоплением:

а - принципиальная: б – эквивалентная

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.55. Диссектор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.56. Видикон

Сканирование световым лучом

По принципу действия к системам с электронным сканированием близки устройства со сканированием световым лучом. Пример такого устройства –термоэлектронный преобразователь изображения – термикон (рис.57)

Приемная поверхность термикона состоит, в том числе, из очень тонкой ИК чувствительной пленки. С обратной стороны последней наносится специальный фотоэлектрический слой, эффективность которого зависит от температуры. На фотослой проецируется изображение яркого светящегося пятна, движущегося по экрану электронно-лучевой трубки по заданному закону. В зависимости от положения светящегося пятна на фотослое и распределения температуры на поверхности П количество эмитируемых электронов и фототок в цепи кольцевого коллектора изменяется на 2-3% на каждый градус изменения температуры. Изменение фототока усиливается и управляетэлектроннолучевая трубка И2.

          Область применения (расширяющаяся) – в МДП структурах. Максимальное разрешение близко 50 линий на кадр при DT @1°.

 

   16.3. Оптико-механическое сканирование.

 

В оптико – механических сканирующих устройствах процесс сканирования осуществляется за счет изменения направления оптической оси ОЭс. При этом общее поле обзора последовательно анализируется мгновенным полем зрения оптической системы. Общая классификация таких устройств приведена на рис.58.

Сканирование может производится за счет движения всей оптической системы прибора или её элементов – зеркал, призм, клиньев, линз, диафрагм. Оптико-механические системы, в которых сканирование осуществляется диафрагмой (щелью) , движущейся в фокальной плоскости иногда называют экранирующими. Широко известный пример – диск Нипкова. Своеобразные методы сканирования используются в системах с волоконной оптикой. Сканирование может осуществляться также путем изменения коэффициента преломления или других оптических свойств материалов, входящих в систему. Сканирование движения всей системы осуществляется в тех случаях, когда возможно использовать перемещение платформы, на которой размещается ОЭС. Для обзора более широкой полосы на местности в таких системах часто используется сканирование по строке. (рис.59).

·        Сканирование зеркалами: различают сканирование в пространстве предметов (зеркало размещается перед объективом, рис.60) и сканирование в пространстве изображений (используется широкоугольный объектив, обеспечивающий высокое качество изображения по всему полю обзора, зеркало за ним, рис. 61).

Наряду с простым зеркалом в сканирующей системе может использоваться система зеркал, зеркальные призмы, пирамиды и т.д. (рис.62-64). В качестве исполнительных механизмов применяются шаговые двигатели, кулачковые механизмы и т.д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.57. Принципиальная схема термикона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 58. Классификация оптико-механических

сканирующих устройств

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 59. Однострочное сканирование с движущейся платформы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                   

 

                           Рис. 60.Сканирование в пространстве предметов:

1-     сканирующее зеркало; 2 – объектив;3 – диафрагма;

4 – конденсор; 5 – приемник излучения;6 – мгновенное

поле зрения; 7 – поле обзора   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 61. Сканирование в пространстве изображений:

1-    сканирующее зеркало; 2 – объектив;3 – диафрагма;

      4 – конденсор; 5 – приемник излучения;6 – мгновенное

      поле зрения; 7 – поле обзора

 

         Эффективность ОЭП, предназначенных для обзора пространства с неподвижного носителя может быть существенно повышена за счет применения черезстрочной развертки сканирующего луча (рис.65) линейки многоэлементного приемника. Достигаемый результат – уменьшение числа элементов приемника и уменьшение полосы частот коммутационно-усилительного тракта, причем это уменьшение равно m раз, где m = N (числу граней призмы). Недостаток – возможность пропуска цели, именно поэтому ОЭС (платформа) должна быть неподвижна.

·        Сканирование отверсием в непрозрачном экране - наиболее простой способ сканирования. Классический пример диск Нипкова. Пример этих устройств показан на рис. 66,67. Отверстие в диске Д (рис.66) расположено таким образом, что изображение, ограниченное диафрагмой ДП последовательно анализируется по строкам так, что когда одно отверстие выходит за пределы окна диафрагмы ДП, другое выходит прочерчивая следующую строку. Одна из последних конструкций с указанным механизмом сканирования – тепловизор “Янтарь” (70-е годы , поле обзора 5х4°, мгновенное поле зрения 5¢, частота кадров 25 Гц), которым удалось убеспечить минимально обнаруживаемую разность температур DT=0,2 – 0,3°С.

Зенитный теплопеленгатор - одна из таких разработок (её исллюстрирует рис. 67) проста по конструкции и эффективна. Зеркало (D~1500 мм, f~640 мм) создает изображение точечной цели в плоскости непрозрачной диафрагмы с вырезом , вращаемой двигателем М₂ (М₁ – модулятор). Сигнал запитывает неоновую лампочку Л, которая вращается с частотой диафрагмы М₂ в пределах окружности, удобной для восприятия оператором. Легко видеть, что при условии точной ориентации приемного зеркала на цель, лампочка очерчивает полный круг и вспыхивает в определенном секторена краткие моменты времени при прочих условиях

·        Сканирование путем управления оптическими свойствами элементов, входящих в систему. Управление осуществляется магнитным или электрическим полем. Известно, например, что такие материалы, как нитробензол, кварц, некоторые кристаллы изменяют показатель преломления n при воздействии электрического поля. Для  сканирования можно использовать систему фильтров как на рис.68, выполненных из чередующихся слоев некоторых материалов, например, сульфида цинка и креолита. Такие фильтры пропускают только монохроматическое излучение, длина волны l которых в четыре раза больше толщины l фильтра. Если изготовить фильтр в виде клина и направить на него монохроматическое излучение, то последнее пройдет только в той части, где толщина соответствует четверти длины волны (при условии nl=l/4). Введя второй фильтр, развернутый на 90°, обеспечим возможность прохождения только той части излучения, которая соответствует участкам фильтров с толщиной 1/4l. Подводя к фильтрам напряжение, можно перемещать линии равной толщины и т.о. обеспечить сканирование изображения.

         (На рис.68 – ГКР – генератор кадровой и строчной разверток; КФГ, КФВ – клиновые фильтры горизонтальной и вертикальной развертки).                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.62. Типы сканирующих зеркал: а - вращающееся двустороннее(двугранное) зеркало; б – зеркало, вращающееся вокруг оси, неперпендикулярной к нему; в – «крест» из зерал 1 и 2; г – зеркало, качающееся в двух плоскостях; д – система из двух вращающихся зеркал; е – два зеркала, вращающихся или качающихся вокруг взаимно перпендикулярных осей; ж – вращающаяся зеркальная N – гранная призма; з – вращающаяся зеркальная N – гранная пирамида.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.63. Сканирующее зеркало в виде многогранной призмы:

                Об – объектив; Пр –приемник из М элементов;

                З – зеркало с N гранями; НП – направление полета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 64. Основные принципы сканирования плоскопараллельной пластинкой (призмой): а – ход лучей; б – призма , эквивалентная пластинке толщиной D; в – поле обзора и поворот пластинки при неподвижном приемнике (диафрагме поля).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 65. Схема сканирования и расположения чувствительных слоев

многоэлементного приемника при  чересстрочной развертке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.66. Система механичесого  телевидения с диском Нипкова:

                                                                                                          а – приемник излучения большой площади;

                                                                     б – небольшой приемник и конденсор;

                                          в – сканирующий диск                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 67. Сканирование щелью в зенитном теплопеленгаторе

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 68. Сканирующее устройство с клинообразными фильтрами.