Афонин А.В., Ньюпорт Р.К., Поляков В.С. и др. Основы инфракрасной термографии

Подождите немного. Документ загружается.

131

êàäðîâ N

â ñåêóíäó êîëè÷åñòâî îòñ÷åòîâ áóäåò ñîñòàâëÿòü

. (2.135)

Âåëè÷èíà N ÷èñëåííî ðàâíà ïîëîñå ïðîïóñêàíèÿ ôîòîýëåêòðîííîãî òðàêòà

Df, íåîáõîäèìîé äëÿ ðåãèñòðàöèè øòðèõîâîé ìèðû ñ ïåðèîäîì 2W

Ïàðàëëåëüíîå ñêàíèðîâàíèå ëèíåé÷àòûì ïðèåìíèêîì (ðèñ. 2.19)

ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ïîëîñû ïðîïóñêàíèÿ â n ðàç ïî êàæäîìó èç n

êàíàëîâ ïðåäâàðèòåëüíûõ óñèëèòåëåé. Ïðåèìóùåñòâî ýòîé ðàçâåðòêè

ñîñòîèò â òîì, ÷òî óìåíüøàåòñÿ ñêîðîñòü ñêàíèðîâàíèÿ è çà ñ÷åò ýòîãî

Ðèñ. 2.18. Âíóòðåííåå ìåõàíè÷åñêîå ñêàíèðîâàíèå.

à) 1  ïðèåìíèê, 2  ïðèçìà ãîðèçîíòàëüíîé ðàçâåðòêè, 3  ïðè-

çìà âåðòèêàëüíîé ðàçâåðòêè, 4  îáúåêòèâ;

á) 1  ïðèåìíèê, 2  çåðêàëüíûé áàðàáàí ãîðèçîíòàëüíîé ðàçâåðòêè,

3  êîëåáëþùååñÿ çåðêàëî âåðòèêàëüíîé ðàçâåðòêè,

4  çåðêàëüíûé îáúåêòèâ

à)

á)

132

óìåíüøàåòñÿ ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ â n ðàç, ÷òî â ñâîþ î÷åðåäü ïðèâî-

äèò ê óâåëè÷åíèþ îòíîøåíèÿ ñèãíàëà ê øóìó â

ðàç. Ê íåäîñòàò-

êàì òàêîé ðàçâåðòêè îòíîñèòñÿ òî, ÷òî ðàçáðîñ âîëüò-âàòòíîé ÷óâñòâè-

òåëüíîñòè è îñîáåííî øóìîâ êàæäîãî ýëåìåíòà ïðèâîäèò ê

âîçíèêíîâåíèþ ãåîìåòðè÷åñêîãî øóìà èëè ïîòåðå èíôîðìàöèè â ñòðî-

êå â ñëó÷àå âûõîäà îäíîé ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè èç ñòðîÿ.

Ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñêàíèðîâàíèè ëèíåéêîé èç r ýëåìåíòîâ

(ðèñ. 2.19,ã) ëèíåéêà ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê åäèíûé ïðèåìíèê. Òî÷êà

ïîëÿ àíàëèçèðóåòñÿ ïîñëåäîâàòåëüíî êàæäûì ýëåìåíòîì ïðèåìíèêà

òàêèì îáðàçîì, ÷òî ïîëó÷åííûå ñèãíàëû ïðèâîäÿòñÿ ê åäèíîé ôàçå â

ëèíèè çàäåðæêè è çàòåì ñóììèðóþòñÿ. Áëàãîäàðÿ ñóììèðîâàíèþ ñèãíàë

óâåëè÷èâàåòñÿ â r ðàç, à øóì â

ðàç, ïîýòîìó îòíîøåíèÿ ñèãíàëà ê

øóìó óâåëè÷èâàåòñÿ â

ðàç. Êðîìå òîãî, âûõîä èç ñòðîÿ îäíîãî

ýëåìåíòà ïðàêòè÷åñêè íå âëèÿåò íà èçîáðàæåíèå íà âûõîäå, à êîãå-

ðåíòíîå ñóììèðîâàíèå ñèãíàëîâ îò êàæäîãî ýëåìåíòà ïðèåìíèêà óñ-

òðàíÿåò âëèÿíèå ðàçáðîñà âåëè÷èí îáíàðóæèòåëüíîé ñïîñîáíîñòè îò-

äåëüíûõ ïðèåìíèêîâ.

Ïîñëåäîâàòåëüíî-ïàðàëëåëüíîå ñêàíèðîâàíèå ñ ïîìîùüþ äâóìåð-

íîé ìàòðèöû îãðàíè÷åííîãî ðàçìåðà n ×r ýëåìåíòîâ ïðèâîäèò ê âûèã-

ðûøó ïî îòíîøåíèþ ñèãíàëà ê øóìó â

ðàç, óìåíüøàåò ñêî-

ðîñòü ñêàíèðîâàíèÿ è ñîõðàíÿåò âñå äîñòîèíñòâà, ïåðå÷èñëåííûå äëÿ

ïîñëåäîâàòåëüíîãî ñêàíèðîâàíèÿ ëèíåéêîé èç r ïðèåìíèêîâ.

Ðèñ. 2.19. Ñõåìû ñêàíèðîâà-

íèÿ ïîëÿ çðåíèÿ.

à, ã  ïîñëåäîâàòåëüíîå;

á, â  ïàðàëëåëüíîå;

ä  ïîñëåäîâàòåëüíî-ïàðàë-

ëåëüíîå

à)

á)

â)

ã)

ä)

133

Îáðàáîòêà ñèãíàëà

Âèäåîñèãíàë, ïîëó÷åííûé â àíàëîãîâîé ôîðìå â âèäå òîêà èëè

íàïðÿæåíèÿ, äîëæåí áûòü ïðåîáðàçîâàí â ðàñïðåäåëåíèå ÿðêîñòè èç-

ëó÷åíèÿ îáúåêòà ïî ïîëþ çðåíèÿ. Äëÿ ýòîãî îòêëîíåíèå ìãíîâåííîãî

ïîëÿ çðåíèÿ ôèêñèðóåòñÿ äàò÷èêàìè ïîëîæåíèÿ óñòðîéñòâ ñêàíèðîâà-

íèÿ. Ýòè äàò÷èêè, îòìå÷àþùèå íà÷àëî ñòðîê è íà÷àëî êàäðîâ, èñïîëü-

çóþòñÿ äëÿ ñèíõðîíèçàöèè ðàçâåðòêè ñêàíèðîâàíèÿ ñ ðàçâåðòêîé áëî-

êà âèçóàëèçàöèè. Ñèãíàëû ñèíõðîíèçàöèè ïî âåðòèêàëè è ãîðèçîíòàëè

ìîãóò èäòè ïî ðàçäåëüíûì êàíàëàì èëè íàïðàâëÿòüñÿ â îäèí è òîò æå

êàíàë. Ìîæíî âûâåñòè íà åäèíûé ìóëüòèïëåêñèðîâàííûé êàíàë âèäåî-

ñèãíàë è ðàçëè÷íûå ñèãíàëû ñèíõðîíèçàöèè, òîãäà ñèãíàë èìååò õàðàê-

òåðèñòèêè, àíàëîãè÷íûå õàðàêòåðèñòèêàì òåëåâèçèîííîãî ñèãíàëà.

Àíàëîãîâûé ñèãíàë óñèëèâàåòñÿ â ýëåêòðîííîì òðàêòå, ïðè÷åì êî-

ýôôèöèåíò óñèëåíèÿ îáû÷íî âûáèðàåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò àìïëèòóäû

ñèãíàëîâ íà âûõîäå ïðèåìíèêà è äîïóñòèìûõ àìïëèòóä ñèãíàëà íà âû-

õîäå óñèëèòåëÿ, ÷òîáû ìàêñèìàëüíî ïåðåêðûòü äèíàìè÷åñêèé äèàïà-

çîí ñèãíàëîâ îò ìèíèìàëüíîé äî ìàêñèìàëüíîé èçìåðÿåìîé òåìïåðà-

òóðû îáúåêòà.

Îòìåòèì, ÷òî èçìåðèòåëüíàÿ òåïëîâèçèîííàÿ ñèñòåìà äîëæíà õà-

ðàêòåðèçîâàòüñÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ íà âñåõ ïðîñòðàíñòâåííûõ ÷àñòî-

òàõ, âêëþ÷àÿ íóëåâóþ, è îòñóòñòâèåì äðåéôà. Äëÿ ýòîãî ïðåäóñìàòðè-

âàåòñÿ ñèñòåìà êîìïåíñàöèè äðåéôà ñ ïîìîùüþ ââåäåíèÿ ñèãíàëà îò

âñòðîåííîãî îïîðíîãî ÷åðíîãî òåëà. Â [4] îïèñàí ñïîñîá êîìïåíñàöèè

äðåéôà ñ ïîìîùüþ «çàæèìà» (clamping) ñèãíàëà. Äåëàåòñÿ ýòî ñëåäóþ-

ùèì îáðàçîì. Â êîíöå êàæäîé ñòðîêè, êîãäà ðåáðî ïðèçìû ïðîõîäèò

÷åðåç îïòè÷åñêóþ îñü, ïðèåìíèê âèçèðóåò îïîðíûé èñòî÷íèê.

Âî âðåìÿ âèçèðîâàíèÿ îïîðíîãî èñòî÷íèêà ñèãíàë ïðèåìíèêà ñóì-

ìèðóåòñÿ èç ñèãíàëà âíóòðåííåé çàñâåòêè V

, ñèãíàëà V

, ñîîòâåòñòâóþ-

ùåãî èçëó÷åíèþ îïîðíîãî èñòî÷íèêà è ñèãíàëà V

, ñîîòâåòñòâóþùåãî

äðåéôó ýëåêòðîíèêè

. (2.136)

Âî âðåìÿ âèçèðîâàíèÿ îáúåêòà ïðèåìíèê âûäàåò ñèãíàë V

ïðîïîðöè-

îíàëüíî èçëó÷åíèþ îáúåêòà, V

îò ñîáñòâåííîãî èçëó÷åíèÿ âõîäíîé

îïòèêè, à òàêæå âûøåóïîìÿíóòûå V

è V

. (2.137)

134

Ñèãíàë V

íàêàïëèâàåòñÿ íà åìêîñòè ïàìÿòè çà âðåìÿ «çàæèìà» (~8 ìêñ),

à çà âðåìÿ àíàëèçà (~400 ìêñ) ïðîèçâîäèòñÿ îïåðàöèÿ âû÷èòàíèÿ V

-V

óñòðàíÿþùàÿ âëèÿíèå âíóòðåííåé çàñâåòêè è äðåéôà.

-V

. (2.138)

Ñîîòâåòñòâóþùèå ðàçíîñòè ñèãíàëîâ V

è V

èñêëþ÷àþòñÿ äàëåå

ïóòåì êîìïåíñàöèè çà ñ÷åò âû÷èòàíèÿ óðîâíÿ ñèãíàëîâ, îïðåäåëÿþ-

ùèõ ïî äàííûì äâóõ òåðìèñòîðîâ T

è T

, íàõîäÿùèõñÿ ñîîòâåòñòâåí-

íî âáëèçè âõîäíîé îïòèêè è íà îïîðíîì èñòî÷íèêå. Íàïðÿæåíèå êîì-

ïåíñàöèè ïîëó÷àåòñÿ òàêæå ñ ó÷åòîì âëèÿíèÿ äèàôðàãì è ôèëüòðîâ.

Óñèëåííûé è îáðàáîòàííûé òàêèì îáðàçîì àíàëîãîâûé ñèãíàë ñîâìå-

ñòíî ñ ñèíõðîèìïóëüñàìè ïîñòóïàåò íà áëîê âèçóàëèçàöèè. Òàêàÿ ñõåìà

îáðàáîòêè îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ îäíîýëåìåíòíûì ïðèåìíèêîì èëè ñ ãðóï-

ïîé ïðèåìíèêîâ ïðè ïîñëåäîâàòåëüíîì ñêàíèðîâàíèè, ïîñëå âðåìåí-

íîé çàäåðæêè è ñóììèðîâàíèÿ ñèãíàëîâ îò ãðóïïû ïðèåìíèêîâ. Ïðè ïà-

ðàëëåëüíîì è ïàðàëëåëüíî-ïîñëåäîâàòåëüíîì ñêàíèðîâàíèè

ëèíåéêàìè ïðèåìíèêîâ è ìàëîôîðìàòíûìè ìàòðèöàìè â ñõåìå åùå

îñóùåñòâëÿåòñÿ âûðàâíèâàíèå âîëüò-âàòòíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè âñå-

ãî ôîòîýëåêòðîííîãî òðàêòà ïî êàæäîé ãðóïïå ïðèåìíèêîâ ïàðàëëåëü-

íîãî ñêàíèðîâàíèÿ.

Äëÿ îáðàáîòêè ñèãíàëà íà âñòðîåííûõ êîìïüþòåðàõ è çàïèñè â

ïàìÿòü ñèãíàë ñ ïîìîùüþ àíàëîãî-öèôðîâîãî ïðåîáðàçîâàòåëÿ ïðå-

îáðàçóåòñÿ â 10, 12 èëè 14 ðàçðÿäíûé äâîè÷íûé êîä, ÷òî ñîîòâåòñòâó-

åò ðàçäåëåíèþ äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà ñèãíàëà íà 1024, 4096 èëè

16384 óðîâíåé.

Ñîîòâåòñòâèå ìåæäó àìïëèòóäîé àíàëîãîâîãî ñèãíàëà èëè âåëè-

÷èíîé êâàíòîâîãî ñèãíàëà ïîñëå ÀÖÏ â èçîòåðìè÷åñêèõ åäèíèöàõ è

òåìïåðàòóðîé íàáëþäàåìîãî ÷åðíîãî òåëà äîëæíî áûòü óñòàíîâëåíî

ýêñïåðèìåíòàëüíî, ò.å. äîëæíû áûòü ïîñòðîåíû ãðàäóèðîâàííûå êðè-

âûå, çàâèñÿùèå îò õàðàêòåðèñòèê òåïëîâèçèîííîé ñèñòåìû. Ýòè ãðà-

äóèðîâàííûå êðèâûå ïîëó÷àþòñÿ ïðè êàëèáðîâêå òåïëîâèçîðà ïî èìè-

òàòîðó àáñîëþòíî ÷åðíîãî òåëà íà ïðåäïðèÿòèè-èçãîòîâèòåëå. Êàæäûé

èçãîòîâèòåëü èìååò ïðàâî èñïîëüçîâàòü ñâîé ñïîñîá îïðåäåëåíèÿ òåì-

ïåðàòóðû ïî âûõîäíîìó ñèãíàëó òåïëîâèçîðà  ïî ìàññèâàì ãðà-

äóèðîâî÷íûõ êðèâûõ èëè àïïðîêñèìèðóþùèì óðàâíåíèÿì. Îä-

íèì èç òàêèõ óðàâíåíèé ñâÿçè èçîòåðìè÷åñêèõ åäèíèö ñ òåìïåðàòóðîé

÷åðíîãî òåëà ÿâëÿåòñÿ [4]

, (2.139)

135

ãäå p è q  êîíñòàíòû, çàâèñÿùèå îò õàðàêòåðèñòèê àïïàðàòóðû, îïðå-

äåëÿåìûå ïðè àïïðîêñèìàöèè ãðàäóèðîâî÷íûõ êðèâûõ. Èç ýòîãî óðàâ-

íåíèÿ èñêîìàÿ òåìïåðàòóðà ðàâíà

. (2.140)

Â ñêàíèðóþùèõ òåïëîâèçîðàõ ïðèìåíÿþòñÿ îõëàæäàåìûå ôîòîí-

íûå ïðèåìíèêè èçëó÷åíèÿ. Ïîëó÷èëî áîëüøîå ðàçâèòèå â ñêàíèðóþ-

ùèõ òåïëîâèçîðàõ ïðèìåíåíèå ìàëîôîðìàòíûõ ìàòðèö èç HgCdTe äëÿ

îáëàñòè ñïåêòðà 35 ìêì ñ òåïëî-ýëåêòðè÷åñêèì îõëàæäåíèåì. Ñî-

çäàþòñÿ òàêæå 4-õ ñòðî÷íûå ëèíåéêè ôîòîäèîäîâ HgCdTe íà îáëàñòü

ñïåêòðà 810,5 ìêì.

2.3.2. ÒÅÏËÎÂÈÇÈÎÍÍÛÅ ÑÈÑÒÅÌÛ ÍÀ ÏÎËÍÎÔÎÐÌÀÒÍÛÕ Ì ÀÒÐÈÖÀÕ

Íåñêàíèðóþùèå òåïëîâèçèîííûå ñèñòåìû îñíîâàíû íà èñïîëü-

çîâàíèè ìíîãîýëåìåíòíûõ ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ òàê íàçûâàåìûõ

«ñìîòðÿùèõ» ìàòðèö, ò.å. ìàòðèö, ÷èñëî ýëåìåíòîâ êîòîðûõ ïîçâîëÿåò

ñôîðìèðîâàòü ïîëíîôîðìàòíûé òåëåâèçèîííûé êàäð ñ õîðîøèì ïðî-

ñòðàíñòâåííûì ðàçðåøåíèåì. Â ýòèõ òåïëîâèçèîííûõ ñèñòåìàõ îòñóò-

ñòâóþò ìåõàíè÷åñêèå óçëû ñêàíèðîâàíèÿ è èõ ýëåêòðîäâèãàòåëè, òåì

ñàìûì ñóùåñòâåííî ïîâûøàåòñÿ íàäåæíîñòü, óìåíüøàåòñÿ ýíåðãîïîò-

ðåáëåíèå è ãàáàðèòíî-âåñîâûå õàðàêòåðèñòèêè. Íóæíî îòìåòèòü, ÷òî â

ñêàíèðóþùèõ ÈÊ ñèñòåìàõ ýêâèâàëåíòíàÿ øóìó ðàçíîñòü òåìïåðàòóð

NET

ñîñòàâëÿåò 50100 ìÊ, à â ñìîòðÿùèõ ÈÊ ñèñòåìàõ ~10 ìÊ ïðè

òåìïåðàòóðå îõëàæäåíèÿ ~77°Ê è óñëîâèè, ÷òî íåîäíîðîäíîñòü ïàðà-

ìåòðîâ ÿ÷ååê ìàòðèöû âìåñòå ñ ñèñòåìîé ýëåêòðîííîé îáðàáîòêè ñèã-

íàëîâ íå ïðåâûøàåò 0,10,01%.

Íà ðèñ. 2.20 ïðèâåäåíà áëîê-ñõåìà òèïîâîé òåïëîâèçèîííîé êà-

ìåðû ñ ýëåêòðîííîé îáðàáîòêîé ñèãíàëîâ. Îáúåêòèâ 1 ôîðìèðóåò íà

ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé ìàòðèöå 4 èçîáðàæåíèå îáúåêòà, èçëó÷åíèå

êîòîðîãî ïðîõîäèò ÷åðåç èíòåðôåðåíöèîííûé ôèëüòð 3. Ôîòîòîê êàæ-

äîãî ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà äåòåêòîðíîé ìàòðèöû 4 óñèëèâàåòñÿ

ïðåäóñèëèòåëåì 5 è íàêàïëèâàåòñÿ â òå÷åíèå êàäðà â èíòåãðàòîðå (åì-

êîñòè) 6, âûïîëíÿþùåì ðîëü íèçêî÷àñòîòíîãî ôèëüòðà, à çàòåì ïîñòó-

ïàåò íà ìóëüòèïëåêñîð 7. Ýòè ýëåìåíòû ìàòðèöû èçãîòàâëèâàþò â èí-

136

òåãðàëüíîì èñïîëíåíèè â îäíîì áëîêå è ðàçìåùàþò ïðè îõëàæäåíèè

â êðèîñòàòå. Äàëåå ñëåäóåò êîìïüþòåðíàÿ îáðàáîòêà ñèãíàëîâ, êîòî-

ðûå ñíà÷àëà íàïðàâëÿþòñÿ â íåîõëàæäàåìóþ àíàëîãîâóþ ñõåìó îá-

ðàáîòêè 8, ãäå ïðîèñõîäèò ïðåäâàðèòåëüíàÿ êîððåêöèÿ íåîäíîðîäíî-

ñòè ÷óâñòâèòåëüíîñòè, ôîíîâîãî è òåìíîâîãî òîêîâ ÿ÷ååê ìàòðèöû.

Çàòåì àíàëîãîâûå ñèãíàëû ïðåîáðàçóþòñÿ â öèôðîâûå 9 è ïîñòóïàþò

â öèôðîâóþ ñõåìó êîððåêòèðîâêè 10. Ïîñëå ýòîãî âû÷èòàþò íåðàáî-

òàþùèå ÿ÷åéêè 11, çàìåíÿþò ñèãíàë íà ìåñòå íåðàáîòàþùåé ÿ÷åéêè

èíòåðïîëèðîâàííûì ìåæäó ïðèëåãàþùèìè ÿ÷åéêàìè, è íàïðàâëÿþò

â áëîê ôîðìèðîâàíèÿ èçîáðàæåíèÿ 12. Íà âûõîäå èíôîðìàöèÿ âûâî-

äèòñÿ íà äèñïëåé 13, à òàêæå âûäàåòñÿ â öèôðîâîì âèäå 14. Ïðè ýòèõ

óñëîâèÿõ êîððåêöèè íåîäíîðîäíîñòè ïàðàìåòðîâ ÿ÷ååê DT

NET

äâóõ-

ìåðíîé îõëàæäàåìîé ìàòðèöû ìîæåò äîñòèãàòü ~10 ìÊ.

Åñëè ÷óâñòâèòåëüíûå ýëåìåíòû ìàòðèöû ðàáîòàþò â ðåæèìå îãðà-

íè÷åíèÿ ôîíîì, òî äîñòèæåíèå âûñîêîêà÷åñòâåííîãî òåïëîâèçèîííîãî

èçîáðàæåíèÿ öåëèêîì îïðåäåëÿåòñÿ ýëåêòðîííûìè ñõåìàìè îáðàáîòêè

èç-çà áîëüøèõ ôîíîâûõ è òåìíîâûõ òîêîâ äëÿ ìàòðèö, ÷óâñòâèòåëüíûõ â

îáëàñòè ñïåêòðà 812 ìêì.

Äëÿ ñ÷èòûâàíèÿ ñèãíàëîâ èñïîëüçóþò ïðèáîðû ñ çàðÿäíîé ñâÿ-

çüþ (ÏÇÑ) è ñõåìû íà êîìïëåìåíòàðíûõ ìåòàëë-îêèñåë-ïîëóïðîâîä-

íèê (ÊÌÎÏ) èìïóëüñíûõ ïîëåâûõ òðàíçèñòîðàõ. Ïî ïàðàìåòðàì, â

òîì ÷èñëå ïî øóìàì, îíè áëèçêè äðóã äðóãó, îäíàêî ÏÇÑ òðåáóåò

Ðèñ. 2.20. Áëîê-ñõåìà òèïîâîé òåïëîâèçèîííîé êàìåðû íà «ñìîòðÿùåé» ìàòðèöå.

1  îáúåêòèâ, 2  ïî÷åðíåííûé çàòâîð, 3  ôèëüòð, 4  äåòåêòîðíàÿ

ìàòðèöà, 5  ïðåóñèëèòåëè, 6  èíòåãðàòîðû, 7  ìóëüòèïëåêñîð,

8  àíàëîãîâûé êîððåêòîð íåîäíîðîäíîñòè ñèãíàëîâ ÿ÷ååê,

9  ÀÖÏ, 10  öèôðîâîé êîððåêòîð íåîäíîðîäíîñòè,

11  êîððåêòîð íåðàáîòàþùèõ ÿ÷ååê, 12  ôîðìèðîâàòåëü èçîáðà-

æåíèÿ, 13  äèñïëåé, 14  öèôðîâîé âûõîä, 15  òàêòîâûé ãåíåðàòîð

137

ïðèìåðíî â 5 ðàç áîëüøå èìïóëüñíûõ è ïîñòîÿííûõ èñòî÷íèêîâ ïèòà-

íèÿ, ÷åì ÊÌÎÏ [18]. Ïîñëåäíèå ïðîùå, äåøåâëå, íî â íèõ íà êàæäóþ

÷óâñòâèòåëüíóþ ÿ÷åéêó ïðèõîäèòñÿ ïî êðàéíå ìåðå òðè òðàíçèñòîðà.

Òàê ÊÌÎÏ ìóëüòèïëåêñîð, ñîñòûêîâàííûé ñ èíäèåâûìè ñòîëáèêàìè

ñ 640´480 ôîòîäèîäíîé ìàòðèöåé èç HgCdTe, ñîñòîèò èç 1,25×10

òðàí-

çèñòîðîâ, õîòÿ åãî ðàçìåðû íå ïðåâûøàþò 1,85´1,55 ñì [19].

Êîððåêöèÿ èçìåðåíèé òåïëîâèçîðà ïî èçëó÷åíèþ îïòèêè, âíóò-

ðåííåãî êîðïóñà è òåìïåðàòóðíîãî äðåéôà îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ

òåðìîäàò÷èêîâ è çàòâîðà 2 ñ êîíòðîëèðóåìîé òåìïåðàòóðîé, ââîäèìî-

ãî ïåðåä ôèëüòðîì. Â òåðìîãðàôè÷åñêîì òåïëîâèçîðå äîëæíà áûòü

òàêæå ïðåäóñìîòðåíà êîððåêöèÿ ñèãíàëà â çàâèñèìîñòè îò äàëüíîñòè

íàâåäåíèÿ íà îáúåêò ñúåìêè, ëèáî îñóùåñòâëåí ïîëíûé êîíòðîëü ñ

ïîìîùüþ âíåøíåãî èñòî÷íèêà. Íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííû ñìîòðÿ-

ùèå ìàòðèöû íà îáëàñòü ñïåêòðà 35 ìêì, èçãîòàâëèâàåìûå èç HgCdTe

c òåðìîýëåêòðè÷åñêèì îõëàæäåíèåì ïðè ðàáî÷åé òåìïåðàòóðå 180°Ê,

à òàêæå èç InSb è PtSi ñ áàðüåðîì Øîòòêè ñ îõëàæäåíèåì äî òåìïåðà-

òóðû æèäêîãî àçîòà ~77°Ê.

Ñîçäàíèå áîëüøèõ ôîêàëüíûõ ìàòðèö HgCdTe äëÿ îáëàñòè ñïåê-

òðà 812 ìêì íàõîäèòñÿ â ñòàäèè ðàçðàáîòêè è ôèíàíñèðóåòñÿ ïî ïðî-

ãðàììå ïðàâèòåëüñòâà ÑØÀ [20]. Çíà÷èòåëüíûé òåìíîâîé òîê è áîëü-

øàÿ ôîíîâàÿ çàñâåòêà â ýòîì äèàïàçîíå ñïåêòðà çàòðóäíÿþò âûäåëåíèå

ïîëåçíîãî ñèãíàëà. Äëÿ äîñòèæåíèÿ ðåæèìà îãðàíè÷åíèÿ ôëóêòóàöè-

ÿìè ôîíà òðåáóþòñÿ äîïîëíèòåëüíûå óñèëèÿ ïî óñîâåðøåíñòâîâàíèþ

ýëåêòðîííûõ ñèñòåì îáðàáîòêè ñèãíàëîâ.

Â íàñòîÿùåå âðåìÿ äëÿ èçìåðåíèé â îáëàñòè ñïåêòðà 7,513 ìêì

ñîçäàþòñÿ òåïëîâèçèîííûå êàìåðû íà ïðàêòè÷åñêè íåîõëàæäàåìûõ

ñìîòðÿùèõ ìàòðèöàõ, â êîòîðûõ íåáîëüøîå òåðìîýëåêòðè÷åñêîå îõ-

ëàæäåíèå èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ñòàáèëèçàöèè òåìïåðàòóðû ìàòðèöû ñ öå-

ëüþ ïîâûøåíèÿ òî÷íîñòè èçìåðåíèé. Ó÷èòûâàÿ áîëüøîå áóäóùåå ýòèõ

ïðèåìíèêîâ îñîáåííî â ïðîìûøëåííîì òåïëîâèäåíèè, ðàññìîòðèì èõ

îñîáåííîñòè.

2.2.3. ÍÅÎÕËÀÆÄÀÅÌÛÅ ÒÅÏËÎÂÛÅ ÌÀÒÐÈ÷ÍÛÅ

ÏÐÈÅÌÍÈÊÈ ÈÇËÓ÷ÅÍÈß

Â ïîñëåäíèå ãîäû òåõíîëîãèÿ ñîçäàíèÿ ôîòîïðèåìíûõ óñòðîéñòâ

äëÿ òåïëîâèçèîííîé òåõíèêè ïîëó÷èëà íîâîå ðàçâèòèå, íîñÿùåå ðåâî-

ëþöèîííûé õàðàêòåð è ñâÿçàííîå ñ ïîÿâëåíèåì ÷óâñòâèòåëüíûõ íåî-

õëàæäàåìûõ ìàòðè÷íûõ ÈÊ ïðèåìíèêîâ.

138

Íåîõëàæäàåìûå ìàòðè÷íûå ïðèåìíèêè ñòðîÿòñÿ íà îñíîâå òåï-

ëîâûõ ïðèåìíèêîâ, êîòîðûå â îòëè÷èå îò êâàíòîâûõ íå èìåþò äëèí-

íîâîëíîâîé ãðàíèöû ÷óâñòâèòåëüíîñòè. Èõ îáùåé õàðàêòåðíîé ÷åð-

òîé ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îíè íå ìîãóò îäíîâðåìåííî áûòü

âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûìè è áûñòðîäåéñòâóþùèìè. Ýòî îáñòîÿòåëüñòâî

ïðåïÿòñòâîâàëî ïðèìåíåíèþ èõ â ñêàíèðóþùèõ òåïëîâèçîðàõ, íî â ïðè-

åìíèêàõ ìàòðè÷íîãî òèïà, êîãäà ÷àñòîòà îïðîñà ïî êàíàëó ìàòðèöû ñî-

ñòàâëÿåò ~30 Ãö, ìîæåò áûòü ðåàëèçîâàíà âûñîêàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü,

äîñòàòî÷íàÿ äëÿ ñîçäàíèÿ âûñîêîêà÷åñòâåííûõ òåïëîâèçîðîâ.

Â îáùåì âèäå âîëüòîâàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü òåïëîâîãî ïðèåìíèêà

îïèñûâàåòñÿ ôîðìóëîé [21]

, (2.141)

ãäå e  ïîãëîùàòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà,

G  òåïëîâàÿ ïðîâîäèìîñòü ìåæäó ÷óâñòâèòåëüíûì ýëåìåíòîì è

îêðóæàþùåé ñðåäîé, K  êîýôôèöèåíò ïðåîáðàçîâàíèÿ ïðèðàùå-

íèé òåìïåðàòóðû ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà â èçìåíåíèÿõ íàïðÿæå-

íèÿ íà âûõîäå ïðèåìíèêà DV

. (2.142)

Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè òåïëîâîãî ïðèåìíèêà ðàâíà

, (2.143)

ãäå c  òåïëîåìêîñòü ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Äëÿ áîëîìåòðà êî-

ýôôèöèåíò ïðåîáðàçîâàíèÿ ïðè óñëîâèè, ÷òî ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðî-

òèâëåíèå ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà

 ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðó-

çî÷íîãî ðåçèñòîðà, ðàâåí

K= a×R × I, (2.144)

ãäå òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ñîïðîòèâëåíèÿ ìàòåðèàëà ÷óâñòâè-

òåëüíîãî ýëåìåíòà ðàâåí

, (2.145)

I  ýëåêòðè÷åñêèé òîê ñìåùåíèÿ, ïðîòåêàþùèé ÷åðåç áîëîìåòð.

139

Äëÿ ïèðîýëåêòðè÷åñêîãî ïðèåìíèêà êîýôôèöèåíò ïðåîáðàçîâàíèÿ

ðàâåí

, (2.146)

ãäå g=dp/dT  ïèðîýëåêòðè÷åñêèé êîýôôèöèåíò ìàòåðèàëà ÷óâñòâè-

òåëüíîãî ýëåìåíòà, p  äèïîëüíûé ìîìåíò, q  ïëîùàäü ïðèåìíèêà,

=R×C

 ýëåêòðè÷åñêàÿ ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè, C

 ýëåêòðè÷åñêàÿ

åìêîñòü ÷óâñòâèòåëüíîãî ýëåìåíòà. Èç ôîðìóëû âèäíî, ÷òî íà ÷àñòî-

òàõ ñèãíàëà áëèçêèõ ê íóëþ êîýôôèöèåíò ïðåîáðàçîâàíèÿ òàêæå ðà-

âåí íóëþ, ò.å. ïèðîýëåêòðè÷åñêèå áîëîìåòðû ìîæíî èñïîëüçîâàòü â

ïðèáîðàõ òîëüêî ñ ìîäóëÿöèåé ïîòîêà èçëó÷åíèÿ.

Äëÿ äîñòèæåíèÿ ìèíèìàëüíîé âåëè÷èíû DT

NET

íåîáõîäèìî, ÷òî-

áû ýëåìåíòû ìàòðèöû èìåëè ïðåäåëüíî âûñîêóþ îáíàðóæèòåëüíóþ

ñïîñîáíîñòü, øóìîâîå íàïðÿæåíèå íà âûõîäå ïðèåìíîãî óñòðîéñòâà

ÿâëÿåòñÿ ñóììîé íåñêîëüêèõ ñîñòàâëÿþùèõ. Îñíîâíûìè øóìàìè òåï-

ëîâûõ ïðèåìíèêîâ ÿâëÿþòñÿ, êàê èçâåñòíî, òåïëîâûå øóìû, íî íà ïðàê-

òèêå â íåîõëàæäàåìîé ìàòðèöå ìîãóò ïðîÿâëÿòüñÿ è äðóãèå øóìû, ñíè-

æàþùèå îáíàðóæèòåëüíóþ ñïîñîáíîñòü è DT

NET

. Ðåçóëüòèðóþùàÿ DT

NET

ìîæåò áûòü çàïèñàíà â âèäå [21]





. (2.147)

Ïåðâûå äâå ñîñòàâëÿþùèå îáóñëîâëåíû øóìàìè òåïëîîáìåíà ÷óâñòâè-

òåëüíîãî ýëåìåíòà ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé ïîñðåäñòâîì èçëó÷àòåëüíî-

ãî è ôîíîííîãî ìåõàíèçìîâ [22]

; (2.148)

, (2.149)

ãäå K  ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà, s  ïîñòîÿííàÿ Ñòåôàíà-Áîëüöìàíà,

=1/2t ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ ÷àñòîò, îïðåäåëÿåìàÿ òåïëîâîé ïîñòîÿí-

íîé âðåìåíè ïðèåìíîãî ïèêñåëÿ.

140

Òðåòüÿ ñîñòàâëÿþùàÿ îáóñëîâëåíà äæîíñîíîâñêèì øóìîì ýëåêò-

ðè÷åñêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ R ïèêñåëÿ (äëÿ ïèðîïðèåìíèêîâ ñ ó÷åòîì

åìêîñòíîé ñîñòàâëÿþùåé)

, (2.150)

ãäå Df

=1/(t

)  ïîëîñà ÷àñòîò, îïðåäåëÿåìàÿ ýëåêòðè÷åñêîé ïî-

ñòîÿííîé âðåìåíè ïðèåìíèêà t

è ïðåäóñèëèòåëÿ e

=1/(2pDf

 ïîëîñà ïðîïóñêàíèÿ ïðåäóñèëèòåëÿ. Ïîëó÷åííûå òðè ñîñòàâ-

ëÿþùèå DT

NET

îáóñëîâëåíû ÷àñòîòíîçàâèñèìûìè ôëèêêåð-øóìîì ïðè-

åìíîãî ïèêñåëÿ, øóìîì ïðåäóñèëèòåëÿ è äðîáîâûì øóìîì, âíîñè-

ìûì â òîê ñìåùåíèÿ â ñëó÷àå èìïóëüñíîãî ïèòàíèÿ ïèêñåëåé.

, (2.151)

ãäå V

 íàïðÿæåíèå ôëèêêåð-øóìà, ïîëó÷àåìîå â ðåçóëüòàòå èíòåã-

ðèðîâàíèÿ åãî ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè â ïîëîñå Df

, (2.152)

ãäå V

 íàïðÿæåíèå øóìà ïðåäóñèëèòåëÿ â ïîëîñå Df

, (2.153)

ãäå V

 íàïðÿæåíèå øóìà ïåðåêëþ÷àþùåãî òðàíçèñòîðà, äåéñòâóþ-

ùåå â ïîëîñå Df

Â âûøåïðèâåäåííûõ ôîðìóëàõ âåëè÷èíà B ðàâíà

. (2.154)

Òåîðåòè÷åñêèé ïðåäåë äëÿ DT

NET

íåîõëàæäàåìîé ìàòðèöû îáóñ-

ëîâëåí ðàäèàöèîííûì øóìîì [22]. Â ðåàëüíîé ìàòðèöå ÷óâñòâèòåëü-

íûå ýëåìåíòû èìåþò ýëåêòðè÷åñêèé êîíòàêò ñ ïèòàþùåé è óñèëèòåëü-

íûìè öåïÿìè, à çíà÷èò, äîïîëíèòåëüíûé òåïëîîáìåí ñ îêðóæàþùåé