Файл: Козелкин В.В. Основы инфракрасной техники учебник.pdf

a + b - f ab + b-

Рис. 11.4. Схемы входных каскадов усилителя фототе­ кою

а—ка электронной лампе; б—на полупроводникосых триодах

Значение максимума к как функции от RnlRr = b можно най­ ти, продифференцировав к по b и приравняв нулю производную.

После этих преобразований получим RB/Rт= 1 RajRr> откуда

(11.12)

At

На практике при расчете усилителя значения RBX обычно вы­ бираются исходя из принятой схемы усилителя. Поэтому урав­ нение (11.12) обычно решают для определения оптимальной на­ грузки приемника

(п .13)

Для каждого типа приемников строятся графики Rh=}(Rt) для нескольких значений RBX (рис. 11.5). Значения величин RT при­ емника разбиваются на группы, для каждой из которых выби­ рается среднее оптимальное значение Rn. В некоторых приборах Ru подбирается индивидуально для каждого экземпляра прием-

300

ника. Большинство разработчиков для получения наименьшего уровня шумов принимают RH= RT.

Рис. 11.5. Кривые зависимости R„ от R T и R„x:

-— Я вх =2 МОм; 2— R пх =3 МОм; 3—экспериментальная кривая

2. Расчет коэффициента усиления и полосы пропускания усилителя фототоков

Коэффициент усиления усилителя обычно определяется как отношение выходного напряжения и вых и входному t/ES:

/e==i^b0L. (11.14)

Значение выходного напряжения выбирается исходя из поро­ га срабатывания исполнительного механизма или величины, до­ статочной для открывания электроннолучевого индикатора, и на­ ходится обычно в пределах нескольких вольт. Входное напряже­ ние зависит от характеристик приемника излучения — интег­ ральной чувствительности 5Т и порога чувствительности Фп. Так как ST= C/c/Фш то, положив UC= UDX, получим сигнал на входе приемника

где Uпх выражается в вольтах.

Зная величины 5Т и Фп, которые имеются в паспорте на при­ емник, можно рассчитать минимальное входное напряжение на усилителе. Предположим, например, что в качестве приемника взят сернистосвинцовый охлаждаемый фоторезистор, имеющий

ST= 10 000 В/Вт и Фп = 5-10_,° Вт. По формуле (11.15) вычис­ лим, что с выхода фоторезистора при Rn=RT можно снять Нвх= = Uc= 104-5-10—10 == 5-10—6 В пли 5 мкВ. Предположим также, что

301

для отпирания электроннолучевого индикатора необходимо на­ пряжение Uпых= 1,0 В. Тогда значение необходимого коэффици­

ента усиления будет к ——■ = 2 • 105,т. е. требуется усиление в

двести тысяч раз.

Определение оптимальной полосы пропускания А/ усилителя является очень важным этапом при расчете усилителя.

При уменьшении полосы пропускания Af снижается уровень шумов на выходе усилителя; однако уменьшение А/ можно ве­ сти только до тех пор, пока это уменьшение не начнет приводить и к уменьшению полезного сигнала. Задача заключается в выбо­ ре оптимальной полосы пропускания, обеспечивающей наиболь­ шее значение отношения спгнал/шум. Для обеспечения необходи­ мой полосы пропускания в усилителе устанавливается полосовой фильтр.

Полоса пропускания вычисляется в зависимости от назначе­ ния прибора. Для следящих систем с модуляцией потока часто­ той /м и огибающей F

если при этом частота огибающей В=100 Гц, то д/ = 2^ = 200 Гц.

Для теплопеленгаторных систем полоса пропускания вычисляет­ ся из соотношения

где Тн — длительность импульса излучения; А/ — полоса пропускания схемы.

Вэксплуатации обычно Д/=1-ТЗ кГц.

§11.4. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ДАЛЬНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ

Чувствительность прибора определяется конструктивными и фотоэлектрическими параметрами элементов: диаметром и каче­ ством оптической системы, типом приемника пли преобразовате­ ля излучения, методом модуляции потока, а также зависит от мощности и спектрального состава излучения.

От диаметра оптической системы зависит коэффициент опти­ ческого усиления, определяющий величину интегрального потока, принимаемого прибором; тип приемника (преобразователя) опре­ деляет область спектральной чувствительности, от которой зави­ сит эффективность использования принимаемой энергии излуче­ ния. Чувствительность приемника или его обнаружптельная спо­ собность, а также метод модуляции потока определяют мини­

302

мальное значение соотношения спгнал/шуы, при котором обеспе­ чивается надежное обнаружение предмета.

Пороговая чувствительность прибора *, определяющая его максимальную дальность действия, может быть вычислена тео­ ретически или же определена экспериментально. Как правило, при проектировании вначале определяют пороговую чувствитель­ ность прибора расчетным путем, исходя из характеристик и па­ раметров примененных в нем элементов.

Экспериментальный замер пороговой чувствительности про­ изводится уже после изготовления образцов приборов.

1. Чувствительность и дальность приборов пассивного действия

Известно несколько способов приближенных расчетов значе­ ний пороговой чувствительности, которые с достаточной для практики степенью точности могут быть использованы при опре­ делении дальности действия прибора.

Рассмотрим один из наиболее простых способов вычисления чувствительности.

Если принять, что плотность теплового потока, попадающего на вход оптической системы, равна Е, то за счет коэффициента оптического усиления приемником будет восприниматься потоке плотностью En = Ek, где k вычисляется из соотношения (6.17):

* —То.с-^- .

Чп

где тос — коэффициент пропускания (прозрачности) оптической системы;

So.c — площадь оптической системы; q-n— площадь приемника.

Подставив значение k в соотношение для Е„, получим

_Епдп

То.с-Эо.р

Значение Еп определяется делением величины порога чувст­ вительности приемника на его площадь, т. е. En=<$n/qn. Следова­ тельно, минимальная или пороговая плотность энергии равна

^О.С

где Е выражается в Вт/см2.

* Под пороговой чувствительностью прибора понимается минимальная плотность потока излучения (облученность), падающая на вход прибора, при которой обеспечивается его надежная, без отказов работа, а в приборах ноч­ ного видения при этом имеется четкое изображение наблюдаемого предмета.

303

Величины Фп и То.с приводятся в паспортах на приемник и опти­ ческую систему или берутся из справочных таблиц.

Перейдем к расчету дальности действия. Из всех известных способов расчета дальности действия пассивных ИК-приборов можно рекомендовать два способа расчета. Эти способы, хотя и приближенные, по достаточно точные для оценки дальности дей­ ствия.

Д а л ь н о с т ь д е й с т в и я о б з о р н ы х т е п л о п е л е н - г а т о р о в может быть рассчитана по формуле

где Dox — диаметр входного зрачка оптической системы в см; D* — обпаружптельная способность приемника излучения

в см-Гц'^/Вт;

I — интенсивность излучения объекта в области спект­ ральной чувствительности приемника в Вт/ср;

k — требуемое отношение спгнал/шум;

у — разрешающая способность системы в рад; Т — время просмотра (обзора) поля зрения в с;

Д а л ь н о с т ь д е й с т в и я г о л о в о к с а м о н а в е д е н и я

может быть определена графо-аналитическим способом путем решения двух простых уравнений

(11.19)

Еп — const,

где Eq — плотность потока излучения от объекта, падающая на оптическую систему прибора в направлении ракурса q\ Еп — минимальная (пороговая) плотность потока, вызываю­ щая на выходе прибора сигнал, достаточный для уве­ ренного срабатывания исполнительных органов (четко­ го распознавания изображения на экране электронно­

лучевого индикатора); D — дальность до объекта.

304

Аналитическая зависимость Eq от дальности D выводится сле­ дующим образом.

Полагается, что поток излучения от объекта внутри телесно­ го утла со, проходящий через атмосферу и улавливаемый опти­ ческой системой, равен

Это уравнение решают в следующем порядке. Из индикатри­ сы излучения объекта, по которому определяют дальность дей­ ствия, снимают значение 1Ч. Величина Iq может быть вычислена и по формуле (1.П). После этого, задавшись рядом значений D, по формулам (1.55) и (1.56) вычисляют для заданных условий величину та. Подставляя в (11.21) значения Iq и та, получают Еф для Du Eq2 для D2\ Eqz для Dз и т. д. По этим данным строят график Eq — )'(D), для чего по оси абсцисс откладывают значе­ ния D(DU D2, D3...), а по оси ординат — полученные для этих дальностей величины Eqh Eq2, Eq3 (рис. 11.6). По формуле (11.17) находят значение Е, откладывают его по оси ординат графика Eq=f{D) н через точку А проводят горизонтальную линию до пересечения с кривой графика. Точка пересечения В этой линии с графиком определит на оси абсцисс искомую дальность дей­ ствия (точка С) *.

2. Дальность действия активных ИК-приборов

К ИК-приборам активного действия относятся электроннооптические приборы с подсветом местности и ИК-локаторы и

* Если при расчете дальности действия выяснится, что спектральная ха­ рактеристика приемника существенно отличается от спектральной кривой из­ лучения объекта, до которого рассчитывается дальность, необходимо при вы­ числении £ п в формуле (11.17) значение Фп приемника пересчитать на это из­ лучение, используя методику, изложенную в гл. IV.