Оптоэлектронные элементы и устройства систем специального назначения

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ



в.н. легкий, б.в. галун, О.В. САНКОВ


ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ


Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебника









НОВОСИБИРСК
2011

УДК 621.383.9(075.8)
     Л 386

             Рецензенты: канд. техн. наук, ст. науч. сотр., член-корреспондент РАРАН В. Г. Эдвабник; канд. техн. наук, ст. науч. сотр. В.П. Ющенко

Работа подготовлена на кафедре автономных информационных и управляющих систем


            Легкий В.Н.


Л 386 Оптоэлектронные элементы и устройства систем специального назначения: учебник / В.Н. Легкий, Б.В. Галун, О.В. Санков. -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 455 с.
         ISBN978-5-7782-1777-5
         В учебнике изложены сведения об элементной базе и устройствах, применяемых в оптоэлектронных приборах (приборы ночного видения, тепловизоры, прицелы, дальномеры). Рассмотрены принцип действия и характеристики источников излучения, фотоприемников, электронно-оптических преобразователей изображений видимого и ИК-диапазонов.
         Приведены примеры практической реализации оптоэлектронных приборов, решающих задачи визуализации, обнаружения, измерения, управления при наличии помех, дестабилизирующих факторов и жестких габаритно-весовых ограничений.
         Учебник предназначен для подготовки бакалавров, магистров и инженеров по направлениям и специальностям: «Управление в технических системах», «Автономные информационные и управляющие системы», «Системы управления средствами поражения», «Оптотехника» для отраслей ОПК - специального машиностроения, оптического и электронного приборостроения.
         Приводится информация для студентов III - V курсов факультета летательных аппаратов и других факультетов НГТУ, изучающих дисциплины «Оптоэлектронные элементы специальных систем», «Физические основы специальных измерений», «Схемотехническое проектирование информационных и управляющих систем», «Моделирование автономных информационных и управляющих систем», «Оптоэлектронные автономные информационные и управляющие системы», «Оптоэлектронные методы и системы обработки информации», «Методы обработки сигналов и изображений», «Интегрированные системы летательных аппаратов», «Оптические информационные системы» и другие, а также для дипломного проектирования.
         Издание будет полезно специалистам МО РФ, НИИ, КБ, предприятий различных отраслей, проектирующих и применяющих оптоэлектронные приборы и системы оборонного и промышленного назначения.
УДК 621.383.9(075.8)
ISBN 978-5-7782-1777-5                  © Легкий В.Н., Галун Б.В.,
                                           Санков О.В., 2011
© Новосибирский государственный технический университет, 2011

            ВВЕДЕНИЕ


   Фотоника - наука о способах генерации и практического использования света и других излучений, квантовой единицей которых является фотон [1]. К фотонным эффектам (взаимодействие фотонов с электронами вещества) относятся: внешний фотоэффект, внутренний фотоэффект, внутризонная фотопроводимость, светоэлектрический эффект и др. На фотонных эффектах основано действие фотонных приемников излучения, в которых падающее излучение поглощается и преобразуется в фотоЭДС или фототок.
   Интенсивные исследования и практические разработки в области техники, имеющей дело с физическими эффектами взаимного преобразования электрических и оптических сигналов, ведутся с начала XX века. Сформировался ряд научных направлений и областей оптического приборостроения.
   Фотометрия как наука об измерениях интенсивности света стала основой для становления радиометрии, в которой измеряются спектральные характеристики оптического излучения в УФ, видимом и ИК-диапазонах.
   Квантовая электроника позволила создать генераторы и усилители оптического излучения.
   Иконика - наука о формировании, преобразовании, воспроизведении и обработке изображений (от греческого eikon - изображение, образ) [1,2] стала основой создания электронных систем вещательного и специального телевидения.
   Принцип действия иконоскопа - передающей электронно-лучевой трубки - связан с накоплением электрических зарядов на мозаичной фоточувствительной мишени (внешний фотоэффект). Затем появились суперортиконы. Сейчас наблюдается прогресс ТВ-камер на матричных фотоприемных устройствах (ФПУ).

ВВЕДЕНИЕ

   Оптоэлектроника - область физики и техники, также использующая эффекты взаимного преобразования электрических и оптических сигналов (электрон-фотонное или фотон-электронное). В отличие от вакуумной и полупроводниковой электроники здесь присутствует оптическое звено или оптическая (фотонная) связь в цепи формирования, распространения и обработки сигнала, т. е. исследования и разработки ведутся на стыке оптики и электроники. Термин «оптоэлектроника» вошел в употребление в 1960-х годах, когда появились оптроны [1].
   Оптоэлектронные элементы и устройства предназначены для выполнения соответствующих операций над оптическими и электрическими сигналами и для обработки изображений в составе приборов и систем.
   В зависимости от решаемых задач, сложности конструкции и соотношения объемов обрабатываемой информации в оптическом и электронном трактах можно использовать термины оптико-электронный прибор и оптоэлектронный прибор.
   По мнению авторов, условно можно считать оптико-электронным изделие со сложными (например, сканирующими) оптическими системами, содержащее разноспектральные каналы с передачей выходных данных в интегрированную систему обработки - регистрации - отображения информационно-управляющего комплекса самолета, корабля, танка.
   В настоящем учебнике рассматриваются элементная база и устройства, выполняющие в приборах и системах основной набор функций на электронном уровне. Поэтому в отношении их используется единое название - «оптоэлектронные».
   Оптоэлектронные приборы (ОЭП), как правило, преобразуют оптическое излучение в электрический сигнал с последующей его регистрацией.


            С помощью ОЭП решается ряд военных и научно-технических задач.


   Обнаружение-, установление в процессе просмотра заданной зоны пространства факта наличия определенного объекта.
   Классификация-, фиксация принадлежности обнаруженного объекта к некоторому достаточно широкому классу, например, к наземной военной технике или к классу летательных аппаратов.

Введение

5

   Распознавание', установление принадлежности объекта к сравнительно узкому классу (типу), например, объект является танком или автомобилем, самолетом или вертолетом.
   Идентификация', конкретизация вида (типа) объекта внутри его класса, например определение модели (марки) танка, самолета.
   Измерение: определение с заданной точностью координат объекта (дальность, высота, углы), радиальной и тангенциальной скорости.
   Сопровождение (слежение): многократное выполнение операций распознавания и измерения в динамическом режиме.
   Селекция целей при наличии помех и фоновой поверхности: обработка всей имеющейся информации о фоноцелевой обстановке. Применяется в совокупности с решением указанных выше задач для обеспечения помехоустойчивости ОЭС, разрешения объектов в составе группы, распределения целей по степени угрозы.
   В зависимости от назначения ОЭП выполняют функции:
   • обнаружение (датчики объекта, преграды, источники излучения);
   •    измерение (пеленгаторы, дальномеры, локаторы, радиометры, спектрофотометры, средства контроля состояния радиоактивных, биологических и химических объектов, приборы диагностики заболеваний);
   • управление (наведение, сопровождение, подрыв, стыковка);
   •    визуализация или наблюдение (приборы поиска и разведки, прицелы, регистрация сверхмалых объектов и сверхбыстрых процессов (пикосекунды - наносекунды), физические, астрономические и астрофизические исследования, системы ориентации);
   • связь (ВОЛС, атмосферные линии).
   По условиям работы различают наземные, морские, авиационные и космические ОЭП.
   ОЭП работают во всех диапазонах оптического спектра:
   • ультрафиолетовом (0,01...0,38 мкм),
   • видимом (0,38. ..0,78 мкм),
   •    инфракрасном (ближнем 0,78...1,1 мкм, коротковолновом 1,1...2,5 мкм, средневолновом 3,0...5,0 мкм, длинноволновом 8,0... 14,0 мкм, дальнем 15,0...1000 мкм).

ВВЕДЕНИЕ

   Оптоэлектронные устройства и приборы систем специального назначения отличаются все большим разнообразием. Наряду с радиоэлектронными средствами они в значительной степени определяют эффективность вооружения и военной техники.
   В предлагаемой книге приводятся основные сведения об оптоэлектронных элементах и устройствах. Даются рекомендации по выбору режимов работы с учетом высоких требований к надежности специальных систем в условиях воздействия помех, климатических, механических и других дестабилизирующих факторов.
   Авторы выражают признательность профессору В.К. Макухе за ценные замечания и рекомендации по тексту учебника.

ГЛАВА 1

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ В СОСТАВЕ СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ







1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И УСТРОЙСТВ

  Оптоэлектроника стала приобретать все большее значение со времени открытия простых способов генерации излучения с высокой временной и пространственной когерентностью, особенно после изобретения миниатюрных полупроводниковых лазеров, хотя некогерентные излучающие ИК- и светодиоды также широко применяются. Фотоприемники начали разрабатывать и серийно выпускать несколько раньше, они вместе с источниками света входят, как правило, в любую оптоэлектронную систему. Оптические и электронные явления физически очень глубоко связаны между собой. Генерация света - это фотонное явление. Обратное явление - получение электрической энергии с помощью света - также хорошо известно (например, солнечные батареи). Многие физические явления, связанные со взаимодействием электромагнитного поля с фотонами, сыграли большую роль в развитии оптоэлектроники: электрооптический эффект; эффект Фарадея и родственные ему явления; рекомбинационное излучение; электролюминесценция; фотопроводимость; эффект Франца-Келдыша; управляемое примесное, экситонное и плазменное поглощение и отражение; фотохромные, фототермопластические эффекты и т.п. Многообразие оптоэлектронных элементов и устройств, отличающихся по принципу действия и конструктивному оформлению, показано на рис. 1.1.

Глава 1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА В ЖЕСТКИХ УСЛОВИЯХ

       Pui.1.1. Классификация оптоэлектронных элементов и устройств, используемых в ОЭП и системах специального назначения


   В оптоэлектронных элементах и устройствах используется ряд материалов: полупроводники (группы АщВу, AnBVi, тройные соединения); сегнетоэлектрики (ADP, KDP, BaTiO₃, LiNbO₃, Srᵢ.ₓNb₂O6 и др.); ферромагнетики (YFeₛOi2, BiMn и др.); в том числе специально легированные, а также халькогенидные; окиси переходных металлов (VₓOy, FeₓOy и др.). Как правило, применяют материалы высокой степени чистоты. Кристаллы и монокристаллические пленки, выращиваемые на основе некоторых материалов, должны быть высокосовершенными. Одна из основных проблем - качественное гетероэпитаксиальное выращивание кристаллов сложного состава. Таким образом, развитие оптоэлектроники в большей степени связано с прогрессом электронного материаловедения и технологий, чем развитие электроники.
   Оптоэлектронные системы (ОЭС) предназначены для приема и последующего преобразования собственного и отраженного от объектов оптического излучения в целях их обнаружения, распознавания либо определения координат и т. д.
   Типичные ОЭП, применяемые в ВС РФ и силовых структурах [3], это приборы ночного видения (ПНВ), тепловизионные приборы (ТВП), тепл ©пеленгаторы (ТП), телевизионные системы (ТВС), низкоуровне

1.1. Классификация оптоэлектронных элементов и устройств

9

вые телевизионные системы (НТВС), а также лазерные дальномеры и лазерные локаторы (ЛЛ) на их основе:
   •    ТВП - приборы, работающие на принципе регистрации различий в собственном тепловом излучении элементов объекта наблюдения и фонов с формированием телевизионного изображения;
   •    ТП - приборы, предназначенные для обнаружения объектов по собственному тепловому излучению и определения их угловых координат (пеленга);
   •    ТВС и НТВС - системы для регистрации объектов в отраженном дневном свете (для ТВС) или в условиях «сумерки - ночь» (для НТВС источники света - вечернее небо, Луна, звезды) с целью формирования телевизионного изображения;
   •    ЛЛ - системы определения дальности, азимута, угла места цели и других характеристик узким лучом, формируемым лазером;
   •    оптоэлектронные датчики обнаружения объектов и высотомеры для систем ближней локации (могут иметь игольчатую, секторную, воронкообразную диаграмму направленности) [4].
   В приложениях 1.1 и 1.2 приведены области применения ОЭС в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и научных исследованиях, соответственно. Особенно широко применяются ОЭС во всех видах вооруженных сил (ВС) как самостоятельные системы или как каналы комплексированных систем [3] (приложение 1.3).
   Для оценки показателей качества инфракрасных систем (ИКС) необходимо рассчитать энергетические соотношения между полезным сигналом и шумами (помехами), чтобы определить структуру системы и характеристики ее звеньев, при которых обеспечиваются требуемые показатели качества.
   Для расчетов применяется энергетическая модель системы, представляющая собой совокупность отдельных составляющих сигнала на входе системы в виде потоков, яркостей или облученностей, создаваемых наблюдаемым объектом, фонами, помехами, средой распространения излучения [5]. Эти сигналы могут создаваться как собственным, так и отраженным и рассеянным излучением. На практике выделяют наиболее мощные составляющие и только их принимают во внимание при составлении рабочего уравнения.
   Структура энергетической модели, состоящей из собственного излучения объекта, фона и среды, находящейся в элементарном угловом поле ИКС (в телесном угле AQhkc), а также отраженного от них или

Глава 1. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА В ЖЕСТКИХ УСЛОВИЯХ

рассеянного ими излучения, создаваемого помехой или окружающей средой, находящимися вне углового поля ЛГ2Ик-₍, показана на рис. 1.2. Поскольку пропускание среды распространения (обычно атмосферы) неоднородно по трассе, среда разбита на отдельные зоны (слои), находящиеся в термодинамическом равновесии. Внутри каждого п-го слоя его температура Тсп, спектральный коэффициент излучения есп(/-) и спектральный коэффициент пропускания тсп(л) приняты постоянными. Нумерация слоев начинается от слоя п = 1, в котором находится входной зрачок ИКС. Объект наблюдения, расположенный на расстоянии /Об от ИКС, находится в слое п₀б. Излучатель, являющийся фоновым (фоном), находится в слое пф на расстоянии /ф от ИКС. МИИ - многоэлементный приемник излучения.

Рис. 1.2. Энергетическая модель ОЭС, учитывающая фоноцелевую обстановку

   Радиометрическая схема измерения отражает совокупность явлений, происходящих с момента испускания излучения объектом наблюдения до момента представления сигнала измерительной системой.
   Пример радиометрической схемы получения информации об объектах с помощью ИК системы наблюдения изображения (тепловизора) приведен на рис. 1.3. С ее помощью обеспечиваются атмосферное нормирование классификационных признаков и коррекция получаемых сигналов [6].