CC BY
32
УДК 535.317
И.В. Марчишин
ИФП СО РАН, Новосибирск
П.А. Алдохин, Г.И. Косолапое, С.М. Чурилов, К.П. Шатунов НФ ИФП СО РАН «КТИПМ», Новосибирск
О ВОЗМОЖНОСТИ РАБОТЫ МАТРИЧНОГО CDXHG1-XTE ПРИЕМНИКА В РЕЖИМЕ МНОГОИМПУЛЬСНОГО НАКОПЛЕНИЯ СИГНАЛА, СИНХРОНИЗОВАННОГО С ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
I.V. Marchishin
Institute of Semiconductor Physics Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (ISP SB RAS), 13, Prosp., Akademika Lavrentieva, Novosibirsk, 630090, Russian Federation P.A. Aldokhin, G.I. Kosolapov, S.M.Churilov, K.P. Shatunov
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, "Technological Design Institute of Applied Microelectronics"(NB ISP SB RAS "TDI AM") 8, Nikolaev Str., Novosibirsk, 630090, Russian Federation
ON THE OPERATION OF CDXHG1-XTE FOCAL PLANE ARRAYS FOTODETECTOR IN THE MULTY-PULSE ACCUMULATION MODE SIGNAL, SYNCHRONIZED WITH LASER PULSE TRAIN
Opportunities and features operations CdxHg1.xTe focal plane arrays fotodetector provided single-pulse and multy-pulse acquisition interval signal, jointly with source of laser emission on CO2 are considered.
Тепловизоры (ТПВ) находят широкое применение в различных областях науки и техники. Одной из актуальных задач является расширение возможностей ТПВ, а именно разработка и создание ТПВ, работающих в активно-импульсном режиме. Данный режим работы позволяет реализовать ряд известных преимуществ по сравнению с пассивными режимом работы ТПВ, что очень важно для изделий как специального, так и гражданского назначения [1].
В данной работе рассмотрим возможность работы охлаждаемого матричного фотоприемного устройства (ФПУ) на основе КРТ в режиме многоимпульсного времени накопления Тнак.
Предварительно исследования были проведены с помощью макета ТПВ на основе охлаждаемого матричного ФПУ фирмы «Sofradir», работающего в одноимпульсном режиме накопления при возможности изменения времени накопления Тнак в диапазоне от 0,1 до 200 мкс при частоте кадров 50 Гц. В результате проведенных экспериментов были получены следующее результаты:
- Изменение времени накопления в диапазоне Тнак от 1 до 200 мкс приводило к увеличению амплитуды сигналов с ФПУ и позволяло регистрировать в лабораторных условиях объекты с различной температурой;
- В режиме, когда длительность времени накопления Тнак < 0,1 мкс, отсутствует амплитуда видеосигнала на выходе ТПВ (регистрация видеосигнала велась с помощью телевизионного осциллографа GOS - 6200) причем, тестовый тепловой источник излучал в спектральном диапазоне от 8
3 2
до 11 мкм с мощностью не менее 2*10 Вт/м и помещался в непосредственной близи входной оптической системы ТПВ (примерное расстояние 1-1,5 м);
- Мощный источник теплового излучения позволил макету ТПВ работать при временах накопления Тнак лежащих в диапазоне от 9 до 0,1 мкс, но для естественного фонового излучения необходимо выбрать время накопления Тнак > 1 мкс.
Результаты измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1
Длительность, мкс 9 5 2 1 0,5 0,2 0,1
Амплитуда видео сигнала, В 0,7 0,6 0,5 0,4 0,2 0,08 0,07
Из результатов измерений приведенных в таблице 1 можно заключить, что в диапазоне длительности времени накопления Тнак от 9 до 1 мкс происходит изменение амплитуды видеосигнала, при значении Тнак < 1 мкс, резкое уменьшение амплитуды, а при длительности времени накопления Тнак < 0,1 мкс полностью отсутствует возможность регистрации мощных тепловых потоков излучения.
Поскольку в работе макета ТПВ предусмотрена автоматическая регулировка усиления сигнала (АРУ), отключить которую было невозможно, работа АРУ не позволила на данном этапе определить зависимость выходного сигнала от времени накопления ТПВ.
Следующим этапом эксперимента являлась оценка визуального качества изображения тестового объекта, который наблюдался на экране телевизионного монитора при изменении временного положения импульса Тнак, равного 200 мкс в диапазоне длительности Ткадр. от 0 до 15 мс. Установлено, что изображение тест объекта не изменяется при смещении во времени положения импульса накопления Тнак в диапазоне от 0 до 15 мс.
Полученные результаты экспериментов дают основание полагать, что матричный ФПУ на основе КРТ может работать в режиме многоимпульсного накопления.
В настоящее время считаем актуальным рассмотрение возможности работы в режиме многоимпульсного накопления отечественного ТПВ на основе охлаждаемого матричного ФПУ размерностью 320 х 256 элементов, работающего в спектральном диапазоне от 8 до 11 мкм, разработанного в ИФП СО РАН. Основными электрическими параметрами работы ФПУ (не вдаваясь в сущность формирования управляющих сигналов) являются: частота следования кадров видеосигнала 50 Гц (период Ткадр полн = 20 мс), суммарное
время накопления £Тнак в течение которого происходит регистрация инфракрасного излучения (ИК) лежит в пределах от 140 до 300 мкс. Указанная величина £Тнак, существенно меньше периода кадра (приблизительно на два порядка), поэтому работа матричного ФПУ осуществляется в импульсном режиме.
В настоящее время известны источники лазерного излучения на СО2 с длиной волны 10,6 мкм, которые работают на частотах следования импульсов от 25 Гц до 10 кГц [3]. Известно также, что импульсная мощность лазеров на СО2 с большой частотой повторения может составлять от десятков до сотен Вт, поэтому при рассмотрении возможности работы ТПВ с лазерной импульсной подсветкой необходимо реализовывать режим многоимпульсного накопления синхронного с лазером.
Сущность этого режима заключается в следующем. В течение времени кадра Тка)р полн = 20 мс существует временной интервал Тка)р, примерно равный 15 мс, в течение которого можно производить включение последовательности импульсов накопления. Например, при частоте следования 1 кГц получается 15 импульсов, а при частоте следования 10 кГц соответственно 150 импульсов. Время накопления Тнак каждого импульса может меняться в пределах, например от 1 до 5 мкс, при этом суммарное время накопления £Тнак не должно превышать паспортную величину на данное матричное ФПУ, например от 140 до 300 мкс т. е.
п х Тпак — X ^НАК '
где п - количество импульсов накопления;
Тнак - время накопления мкс;
£Тнак - суммарное время накопления, мкс.
Количество импульсов накопления п определяется по формуле: Т
1 кадр
п~
Т
± пер
где Тка)р. - время, в течение которого можно производить включение последовательности импульсов накопления, мс;
Тпер - период следования импульсов накопления, мс. На рисунке 1 приведен график работы ТПВ при частоте повторения импульсов накопления 1 кГц режима многоимпульсного накопления.
В таблице 2 приведены величины £Тнак и п для частот следования 1 кГц и 10 кГц, а так же для различных значений времени накопления Тнак.
Таблица 2
Длительность одиночного импульса накопления Тнак, мкс Частота следования 1 кГц Частота следования 10 кГц
Суммарное время накопления, ХТнак, мкс Количество импульсов накопления, п Суммарное время накопления, 1Тнак, мкс Количество импульсов накопления, п
1 15 15 150 150
2 30 15 300 150
5 75 15 300 60*
*Примечание: при длительности Тнак = 5 мкс в течении кадра возможно использование только 60 импульсов.
А *
0
2
Т
пер у
Т
Г7,
< пеР >
Т
кадр.
Т
кадр полн.
14 15
15
20 1 кадра, мс
1
3
Рис. 1 Диаграмма работы ТПВ в режиме многоимпульсного накопления,
частота 1 кГц, Тнак = 1 мкс или 5 мкс
Далее остановимся на особенностях работы ТПВ в режиме многоимпульсного накопления синхронного с лазерной подсветкой. Регистрация теплового поля естественных фоновых образований и искусственных объектов происходит по их тепловому излучению, например в спектральном диапазоне ИК излучения от 8 до 11 мкм. Поскольку регистрация теплового излучения, происходит в интервале времени накопления от 140 до 300 мкс то, в этом интервале будет проходить накопление сигнала от естественного фона с добавкой доли подсвета лазерного излучения. Для увеличения вклада лазерного подсвета в формируемое суммарное изображение предполагается использовать оптическую фильтрацию на центральную часть поля зрения матрицы, которая определяется угловым полем подсвета. Эта часть поля зрения освещается лазером, при этом остальная область матрицы работает в своем стандартном, спектральном режиме.
Пропускание оптического фильтра в области лазерного излучения должно иметь максимальное значение и значительное ослабление в области длин волн от 8 до 10 мкм. Ориентировочный вид спектральной характеристики фильтра представлен на рисунке 3.
По предварительным оценкам ослабление фильтром фонового излучения должно составлять приблизительно >10 раз. [4]. При этом формируется общее информационное поле, в центре которого размещается фрагмент изображения с лазерным подсветом. Однако, интенсивность фоновой составляющей не должна быть значительно ослабленной, для лучшей ориентации при наблюдении теплового изображения, формируемого ТПВ.
Полученное изображение, в режиме с подсветкой, будет отличаться от пассивного в его средней части (область поля подсвета лазером), которое характеризуется наличием увеличенного контраста в различных фрагментах
изображения, искусственных объектов (например, автотранспорт, сооружения и т. д.), где имеются выпуклые или иные неровности, способные отразить в область поля зрения ТПВ лазерное излучение. Интенсивность теплового потока в плоскости фоточувствительных элементов ФПУ определяется энергетическими характеристиками источника и обратно пропорционально четвертой степени дальности до наблюдаемых объектов, т.е. при увеличении дальности до объекта в два раза потребуется увеличить мощность подсветки в 16 раз.[5]
Рис. 3. Спектральная характеристика фильтра
Одновременно с подавлением спектра реализуется возможность импульсного стробирования, просмотра глубины пространства зоной, определяемой длительностью лазерного импульса и временем накопления. Ожидается, что предложенный многоимпульсный метод регистрации позволит улучшить видимость объектов в тумане, дымках, искусственных постановках защитных помех и других естественных природных явлениях, что дополнительно улучшает качество видения при использовании ТПВ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Карельский В.Г. Анализ возможности применения лазерной подсветки с X ~ 4 мкм в системах ИК- наблюдения и оптической локации // Прикладная физика. - 2001. - № 1. - С. 5-12.
2. Паспорт по эксплуатации на охлаждаемый приемник «Sofradir».
3. www.plasmalabs.ru
4. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. - М.: Советское радио, 1980. - 389 с.
5. Сухарь И.М. и д.р. Средства и системы оптико-электронного подавления. -Издание ВВИА имени профессора Н.Е. Жуковского, 2008. - 147 с.
© П.А. Алдохин, Г.И. Косолапов, И.В. Марчишин,С.М.,
Чурилов, К.П. Шатунов, 2009
