Схема соответствующей установки изображена на рис. 100. СВЧ-антенна, выполненная в виде кругового конического рупора, и полиэтиленовая линза фоб = 200 мм, /об = = 150 мм) фокусируют энергию СВЧ-излучения (/ = 35 Гц, к - 8,6 мм) на термочувствительную пленку на нитроцел-люлозной основе диаметром 40 мм и толщиной 0,1 мкм. Пленка помещена в вакуумный сосуд, закрытый с обоих

Рнс, 100. Схема установки для визуализации СВЧ-нзображе-ннй:

/ - лампа с вольфрамовой нитью; 2,4- фокусирующие линзы; 3 - диафрагма; 5 - полупрозрачное зеркало; 6 - отвод к вакуумному насосу; 7 - электронагреватель для испарения наела; 8 - пленка на нитроцеллюлозиоЯ основе; 9 - вакуумный сосуд (р = 0,65 Па); 10 - стеклянные входные окна; - полиэтиленовая линза (Dgg = 200 мм, fod = 150 мм); 12 - рупорная антенна; 13 - СВЧ-излучеиие (Л = =8,60 мм).

концов стеклянными окнами толщиной 5 мм. Передняя поверхность пленки, обращенная к антенне, покрыта тонким слоем напыленного в вакууме металла с низкой проводимостью (висмут, свинец). Этот слой поглощает 10-50% мощности падающего излучения и передает тепловой рельеф на тонкий слой гексадеканового масла, который осаждается на задней поверхности пленки вплоть до наступления равновесного состояния между конденсацией и повторным испарением. При освещении задней поверхности пленки параллельным пучком видимого света от яркого точечного источника слой масла в исходном состоянии создает для наблюдателя однородную интерференционную картину. Под воздействием же локального нагрева передней поверхности пленки интерференционная картина становится неоднородной и появляется видимое изображение картины рас-

пределения СВЧ-поля. Необходимое время воздействия СВЧ-облучения 1-3 мин.

Результаты первых опытов оказались положительными, но, по мнению разработчиков, для практического использования предложенного метода необходимо создать механически устойчивые пленки эвапорографа, увеличить их рабочую площадь и повысить чувствительность системы в целом [115].

Глава 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ

ПАРАМЕТРОВ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ

14. ПАРАМЕТРЫ ПРИБОРОВ НОЧНОГО ВИДЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ВЕЛИЧИН ДЛЯ ИХ РАСЧЕТА

Эффективность применения приборов ночного видения характеризуется совокупностью определенных параметров, которые можно разделить на общие и частные. Общими для всех приборов являются следующие параметры:

спектральная чувствительность - область (или области) длин волн электромагнитного спектра, в пределах которых прибор воспринимает излучение наблюдаемых предметов и окружающего их фона;

угол зрения - телесный угол с вершиной в центре входного отверстия объектива, в пределах которого предметы и фон могут наблюдаться с помощью прибора;

мгновенный угол зрения - телесный угол с вершиной в центре входного отверстия объектива, в пределах которого предметы и фон наблюдаются в данный момент времени;

максимальная дальность действия, зависящая от характеристик прибора, объекта наблюдения, фона и среды, через которую распространяется излучение;

пространственная разрешающая способность - наименьший угол между двумя объектами, которые можно наблюдать раздельно с помощью прибора;

передаточная функция - математическое описание динамических свойств прибора, т. е. его способности точно воспроизводить заданные изменения входного сигнала во времени и в пространстве;

пороговая чувствительность - наименьший лучистый лоток, при котором с заданной вероятностью при определенном времени наблюдения создается выходной сигнал, равный напряжению шумов или превышающий его в т раз.

Остановимся подробнее на понятии пороговая чувствительность , так как она является одним из главных параметров, определяющих дальность действия прибора и возможность наблюдения с его помощью низкотемпературных объектов. Заметим, что в определении пороговой чувствительности под выходным сигналом можно понимать не только электрический сигнал, но и изображение объекта, точнее яркость этого изображения, а под термином шумы - яркость фона экрана, на котором рассматривается изображение, или статистическая характеристика яркости фона. Хотя пороговая чувствительность характеризует прежде всего приемник излучения, нельзя отождествлять понятие пороговой чувствительности приемника с пороговой чувствительностью прибора наблюдения в целом. Когда фон равномерный, то сигнал на выходе приемника излучения содержит флуктуационную составляющую, обусловленную собственными шумами приемника (для ЭОП, например, собственными шумами является яркость экрана, вызванная термоэлектронной эмиссией). Шумы, создаваемые усилителем фототока, при правильном подборе элементов схемы меньше шумов приемника, однако электронная схема усиления увеличивает шумы последнего.

Основным видом шума фотосопротивлений считается генерационно-рекомбинационный шум, обусловленный случайным характером генерации и рекомбинации электронов, т. е. флуктуацией их времени жизни.

Энергетический спектр генерационно-рекомбинацион-ного шума можно считать равномерно распределенным в широком диапазоне частот, который определяется природой и чистотой полупроводника. Уменьшение спектральной Плотности шума начинает происходить на частотах, сравнимых с величиной, обратной времени жизни носителей.

Спектральная плотность сигнала на входе электронной

схемы

4Af

(4.1)

где t/np - средний квадрат напряжения генерационно-рекомбинационного шума; -коэффициент пропорциональности между выходным напряжением приемника и падающим лучистым потоком.

Спектральная плотность сигнала на выходе электронной схемы усиления (если считать ее линейной и не изменяющейся во времени)

Оаых (со) = Г (/(0)103 (4.2)

где W (/со) - комплексная передаточная функция схемы.

Интегрируя спектральную плотность Ствых (ю) по всем частотам, получим средний квадрат напряжения шумов:

2л

J Г(уш)Ч(о.

(4.3)

В то время, как пороговая чувствительность приемника излучения определяется величиной Uup, пороговая чувствительность прибора в целом-величиной Уш.

Для нахождения пороговой чувствительности прибора его подвергают воздействию излучения модели абсолютно черного тела, расположенного на небольшом расстоянии /ч.т от объектива прибора. Если известны температура Гч.т и площадь 5ч.т выходного отверстия черного тела, при которых на выходе прибора возникает сигнал, превышающий в заданное число раз напряжение шумов, то пороговая чувствительность прибора

°р ml,

Достаточно низкая пороговая чувствительность прибора, определяемая по формуле (4.4), еще не означает, что он удовлетворяет всем предъявляемым к нему требованиям. В самом деле, при испытаниях прибор с приемником излучения, работающим в широкополосном спектре длин волн, может показать лучшую чувствительность, чем прибор с приемником, работающим в узкополосном спектре. Тем не менее, на практике узкополосная система может

оказаться эффективнее широкополосной в силу двух причин;

излучение наблюдаемого объекта отличается по своему спектральному составу от излучения черного тела, используемого при лабораторных испытаниях;

излучение неравномерного фона способно создать в широкополосной системе значительно большие шумы, чем в узкополосной.

В современных хорошо спроектированных инфракрасных устройствах шумы, создаваемые неоднородностью излучения фона, являются преобладающими среди других шумов, поэтому оценка пороговой чувствительности прибора по излучению черного тела, либо по чувствительности приемника излучения, дает лишь приближенное предстарление о возможностях работы прибора в реальных условиях.

Приборы ночного видения отдельных типов характеризуются не только общими, но и частными параметрами, которые были отмечены при рассмотрении устройства этих приборов (например, коэффициент усиления яркости, электроннооптическое увеличение, время послесвечения - у приборов с электроннооптическими преобразователями; пороговый температурный контраст - у радиометров; число строк разложения, частота строк и кадров - у тепловизоров и т, д.). Зная параметры приборов ночного видения, можно сравнивать последние между собой и определять целесообразность использования того или иного прибора в конкретных условиях.

Для определения параметров приборов в дальнейшем используется следующая система обозначений величин и единиц их измерения:

Объект наблюдения 5ц - площадь излучающей поверхности, см; Гц - абсолютная температура. К; Е?.ц - спектральный коэффициент излучения; О. - спектральная интенсивность плотности излучения (при данной температуре), Вт/см мкм; R - плотность излучения, Вт/см;

Га - лучистый поток, излучаемый в направлении, характеризуемом углом а, Вт;

а - угол между нормалью к поверхности излучения (отражения) и линией дальности;

L - расстояние между объектом наблюдения и прибором (линия дальности), см;

/ - сила излучения, Вт/ср;

- спектральная плотность силы излучения, Вт/ср мкм; /лл - сила излучения в диапазоне длин волн, соответствующем спектральному диапазону чувствительности приемника излучения, Вт/ср;

В - яркость, кд/м*;

Рп - коэффициент диффузного отражения; Та - коэффициент пропускания излучения слоем атмосферы между объектом наблюдения и прибором.

Прибор Ооб - диаметр объектива, см; [об - фокусное расстояние объектива, см; So6 - площадь объектива, см*; 7мгн - мгновенный угол зрения, ср (плоский уголы™);

у - угол зрения, ср (плоский угол А' ); Тпр - коэффициент пропускания оптической системы;

Гпор - пороговая чувствительность приемника излучения, Вт/см Гц/ (или Вт);

- площадь чувствительной площадки приемника,

- постоянная времени приемника, с;

D* - обнаружительная способность приемника, см Гц/./Вт;

Sx - спектральная чувствительность приемника;

- 2 - диапазон длин волн, в пределах которого Sx ф

Af - ширина полосы пропускания электронной схемы усиления сигнала приемника, Гц;

Гобз - период обзора поля зрения, с;

мгн - время просмотра мгновенного поля зрения, с;

ч = ---число элементов поля обзора;

т == -Щ--отношение сигнал/шум по напряжению;

Гоб-лучистый поток, прошедший через объектив.

Гпр-лучистый поток, воспринятый приемником излучения, Вт.

Источник подсвета Dj, - рабочий диаметр прожектора, см; Тп - коэффициент пропускания оптической системы прожектора (включая инфракрасный фильтр);