CC BY
121
УДК 681.7.015
В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, И.И. Кремис СГГА, Новосибирск
МЕТОДИКА АНАЛИЗА ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ТЕПЛОВИЗОРОВ «СМОТРЯЩЕГО» ТИПА НА ОСНОВЕ МАТРИЧНЫХ ПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
В статье рассмотрена методика анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа на основе матричных приемников излучения. Методика разработана на основе теории температурной чувствительности тепловизионных систем при работе по неоднородному полю теплового излучения.
V.M. Tymkul, L.V. Tymkul, I.I. Kremis Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
TECHNIQUE OF THE ANALYSIS OF TEMPERATURE SENSITIVITY INFRARED DEVICES OF «LOOKING» TYPE ON THE BASIS OF MATRIX RECEIVERS OF RADIATION
In article the technique of the analysis of temperature sensitivity infrared devices «looking» type on the basis of matrix receivers of radiation is considered. The technique is developed on the basis of the theory of temperature sensitivity infrared systems at work on a non-uniform field of thermal radiation.
В настоящее время широко известны методы расчета температурной чувствительности тепловизоров первого и второго поколения, работающих по однородному полю излучения [1,2]. В работах [3,4] нами предложена методика рассчета чувствительности тепловизионных систем при работе по неоднородному объектно-фоновому полю теплового излучения.
В данной работе предлагается методика анализа температурной чувствительности тепловизоров «смотрящего» типа на основе матричных приемников излучения (МПИ). При этом анализируется ситуация формирования чувствительности при усреднении объектно-фонового поля температур, которое наблюдается тепловизором.
Методика основана на следующем выражении для пороговой температурной чувствительности тепловизоров при работе по неоднородному объектно фоновому полю температур [3,4]:
ж
А Т{Н) =
У
- Аи,
1 + К\ФФ) + / К^аЬА/'
и:
АО*)8(Л)то(А)та(Л) £(Л)А[Л,Т(х,у),Т] + £ф(А)Аф[А,Тф(х,у),ТФ] <11
• (1)
В формуле (1) приняты обозначения:
Т (х, у) и Тф (х, у) - функция распределения поля температур
соответственно по поверхности объекта и фона;
5,(Я) и 1)* - спектральная чувствительность и удельная обнаружительная способность чувствительного элемента с линейными размерами а и Ь;
А1,А2 - границы спектральной чувствительности МПИ;
£(А),£ф(А) - спектральный коэффициент излучения поверхности объекта и фона;
т0(А),та(Л) - спектральный коэффициент пропускания оптической системы и слоя атмосферы между объектом и прибором;
А/ - ширина полосы электрических частот схемы включения приемника излучения;
Ао - площадь входного зрачка объектива тепловизора;
К - коэффициент использования приемником излучения эталонного источника;
К(Фф) - коэффициент, учитывающий увеличение порогового сигнала приемника за счет постоянной составляющей излучения фона;
А и2ф- дисперсия сигнала помехи чувствительного элемента МПИ за счет переменной составляющей излучения фона;
и^э - пороговый сигнал чувствительного элемента МПИ при воздействии
эталонного источника;
А[А,Т(х,у\Т]
<ЯУ(А,Т) <Ш[А,Т(х,у),Т]
0^0
с1Т
с1Т
(2)
Аф[А>ТФ(х,У\Тф] =
афРф
ёШ{А,Тф)_ + ^В±[А,Тф{х,у\Тф]
с/7' с11',
Ф Ф
В[А, Т(х, у), Т] = || АЩА, Т(х, у), Т^хду; (4)
; (3)
(х0,У0)
Вф[Л,Тф{х,у\Тф\= || АЩА,Тф{х,у),Тф](Ыу. (5)
(хФ’Уф)
ао,Ро - линейный угол, который стягивает объект на расстоянии / от прибора соответственно по строке и по кадру;
ссф,Рф - линейный угол, который стягивает участок фона на расстоянии /
от прибора соответственно по строке и по кадру;
2
Т, Тф - среднее значение температуры по поверхности объекта и фона;
На основании работ [3,4] отношение А 112ф1 и2пэ представим в виде:
-77Г = КФ1Ф’ (6)
и пэ
где,
^ П*А _
Ф ~ тгКэ12/аЬА/ ’
'Ч. _
1ф = \$Щ*о№а(Л)еф(Х)Вф[Л,Тф(х,у),Тф№Л. (8)
л
Анализ выражения (1), а также выражений (2) - (8), показывает, что вследствие засветки МПИ тепловизора постоянной и переменной составляющими неоднородного поля теплового излучения фона, значение АТ(П> существенно увеличивается по сравнению со значениями АТпор для
однородного поля теплового излучения. Рост значений АТ(П> обеспечивается за
пор
счет слагаемых К2(Фф) и Кф1ф в формуле (1), которые больше 1.
Для анализа чувствительности тепловизора «смотрящего» типа с МПИ на основе фотодиодов из кадмий-ртуть-теллура в работе рассматривается следующая ситуация:
1. Расфокусируется оптическая система тепловизора, в результате чего, в плоскости, где находятся чувствительные элементы МПИ формируется поле усредненного излучения наблюдаемой сцены;
2. При этом поле усредненного излучения наблюдаемой сцены приобретает однородный характер и значения параметров К2(Фф) и А11ф / (Г~п,
которые понижали чувствительность тепловизора, существенно уменьшаются;
3. В конечном итоге, условие (2), как видно из формулы (1), формирует эффект уменьшения значения АТ</Г>, то есть чувствительность тепловизора
«смотрящего» типа на основе МПИ увеличивается.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мирошников, М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов [Текст]/ М.М. Мирошников. - М.: Машиностроение, 1983. - 696 с.
2. Ллойд, Дж. Системы тепловидения [Текст] Дж. Ллойд/ Пер. с англ. М.В. Васильченко; под ред. Горячего А.И. - М.: Мир, 1978. - 414 с.
3. Тымкул, О.В. Методика расчета температурной чувствительности космических тепловизионных систем при работе по неоднородному полю теплового излучения [Текст] О.В. Тымкул, В.М. Тымкул // Исследование Земли из космоса. 1997, № 6. - с.20 - 24.
4. Тымкул, В.М. Оптико-электронные приборы и системы. Теория и методы энергетического расчета [Текст] / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул. -Новосибирск: СГГА, 2005. - 215 с.
© В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, И.И. Кремис, 2011
