Разработка тепловизионного канала СП-1 АСДМ "Лидар" (стр. 2 из 7)

Закон, получаемый интегрированием закона Планка по л в пределах от нуля до бесконечности называется законом Стефана – Больцмана. Он определяет интегральную плотность (мощность) потока излучения черного тела при температуре Т:

R_T=уT⁴

у=2р⁵k⁴/15c²h³=5,67*10¹² Вт/(см²*К⁴)=5,67*10⁸ Вт(м²*К⁴) – постоянная Стефана – Больцмана.

Рис. 1.1 Спектральное распределение поверхностной плотности потока излучения различных источников: 1 – Солнце, Т – 6000 К; 2 – излучение черного тела при температуре окружающей среды Т – 290 К; 3 – излучение черного тела при температуре Т=77 К

Физически R_Тпредставляет собой площадь под кривой dR (л, T)/dл=f_T(л).

Если закон планка проинтегрировать по диапазону длин волн л_а – л_b, то мы получим мощность излучения черного тела в этом диапазоне при температуре Т:

где л_а – нижняя граница диапазона, л_b – верхняя граница.

Рис. 1.2. Поверхностная плотность потока излучения в спектральной полосе

1.1.3 Приемники инфракрасного излучения

Приемники излучения являются незаменимыми элементами инфракрасных приборов и предназначены для преобразования энергии оптического излучения в электрическую (или какую-либо другую) энергию, более удобную для непосредственного измерения.

По принципу действия приемники делят на две большие группы: тепловые и фотонные. Тепловые приемники основаны на изменении тех или иных свойств при изменении температуры, образующейся под воздействием падающего лучистого потока, независимо от его спектрального состава. В фотонных приемниках имеет место прямое взаимодействие между падающими фотонами и электронами материала чувствительного элемента.

Среди тепловых приемников в последнее время большое распространение получили микроболометрические матрицы с максимумом чувствительности в диапазоне 8ч12 мкм. Принцип действия болометров основан на изменении электрического сопротивления полупроводника или металла при изменении температуры, вызванном воздействием падающего лучистого потока. Микроболометрические матрицы не требуют охлаждения.

Среди фотонных приемников распространены фоторезисторы, принцип действия которых основан на внутреннем фотоэффекте, заключающемся в образовании свободных электронов в твердом теле и изменении его электропроводности при поглощении квантов излучения. Различают три группы фоторезисторов: пленочные, монокристаллические и легированные примесями. К первой группе относят сернисто-свинцовые (PbS), селенисто-свинцовые (PbSe) и теллуристо-свинцовые (РbТе) фоторезисторы. Вторую группу составляют фоторезисторы из антимонида индия (lnSb) и теллуридов ртути и кадмия (HgСdTe); третью группу – фоторезисторы из германия (Ge), легированного различными примесями.

Рис. 1.3. Энергетические зоны в фоторезисторе

В фоторезисторе дискретные энергетические уровни, которые занимают электроны, образуют зоны. Наивысшую энергетическую зону, полностью заполненную электронами, называют валентной. Более высокую энергетическую зону, которая может быть и не заполненной электронами, называют зоной проводимости. Проводимость материала определяется электронами, находящимися в зоне проводимости. В соответствии с квантово-механическими условиями между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная энергетическая зона.

Проводник характеризуется частичным заполнением зоны проводимости; в изоляторе запрещенная энергетическая зона настолько широка (3 эВ и более), что энергия валентных электронов недостаточна для их перехода в зону проводимости, поэтому в ней отсутствуют электроны (рис. 1.3 б). Полу проводник занимает промежуточное положение между проводником и изолятором. В нем ширина запрещенной зоны настолько мала (доли электронвольта), что даже при комнатной температуре энергия некоторых валентных электронов достаточна для их перехода через запрещенную зону в зону проводимости (рис. 1.3 в). Состояния, ранее занятые этими электронами, называют дырками.

Под действием электрического или магнитного полей дырки могут перемещаться аналогично электронам, но в противоположном направлении. Следовательно, в чистом полупроводнике переход электрона в зону проводимости создает электронно-дырочную пару носителей заряда, повышающую проводимость. Этот вид проводимости называют собственной проводимостью. Падающие на полупроводник фотоны отдают свою энергию валентным электронам, которые переходят в зону проводимости и образуют электронно-дырочные пары, изменяющие проводимость полупроводника (явление фото проводимости).

Пороговую длину волны л₀, за которой энергия фотона недостаточна дли создания электронно-дырочной пары, называют длинноволновой границей и определяют следующим отношением: л₀₌1,24/Е_запр. мкм, где Е_запр. – ширина запрещенной зоны, эВ.

Приемники излучения с собственной проводимостью имеют ширину запрещенной зоны при комнатной температуре Е_запр. ≥0,18 эВ, поэтому для них л₀< 7 мкм. При охлаждении ширина запрещенной зоны уменьшается и длинноволновая граница приемника увеличивается. Такой же эффект может быть получен введением небольших количеств примесей других чистых полупроводников; этот процесс называют легированием, а полученные материалы – примесными полупроводниками.

Если примесный атом имеет меньшее количество валентных электронов чем основной материал, то недостающие ковалентные связи обеспечиваются соседними атомами; в результате этого возникают дырки в валентной области, которые становятся зарядоносителями и образуют материал р-типа.

Примеси, приводящие к недостатку электронов, называют акцепторными, так как они акцептируют (забирают) электроны из основного материала.

Если примесный атом имеет большее количество валентных электронов, чем основной материал, то он действует как донор электронов и в результате образуется материал n-типа. Во всех приемниках инфракрасного излучения используют материал р-типа.

Для получения приемника, чувствительного в длинноволновой области, выбирают материал с узкой запрещенной зоной. Но чем уже запрещенная зона, тем больше носителей, возбужденных не фотонами, а термическим путем. В первом приближении считают, что фоторезисторы, чувствительные к излучению с длиной волны до 3 мкм, не требуют охлаждения; а диапазоне 3ч8 мкм необходимо умеренное охлаждение (до 77К), а для фоторезисторов, работающих в диапазоне 8 ч14 мкм, необходимо глубокое охлаждение (несколько кельвинов).

Фоторезистор подключают к источнику питания последовательно с нагрузочным резистором. При облучении чувствительной площадки изменяется ее электрическое сопротивление; паление напряжения на нагрузочном резисторе представляет собой рабочий сигнал, который через емкостную связь подают в предусилитель.

1.2 Особенности построения тепловизионных систем контроля кризисных ситуаций

1.2.1 Рабочий диапазон температур

Тепловизионные системы контроля кризисных ситуаций в мегаполисе предназначены для наблюдения панорамы городской застройки, при колебаниях температуры окружающей среды в пределах от -40 до +40⁰С (233ч313⁰К). При этом в зоне кризисной ситуации температура, как правило, не превышает температуру окружающей среды более чем на 200⁰С и не ниже ее более чем на 50⁰С. При этом, в какой либо зоне, колебания температуры могут быть и выше и ниже указанных значений, но для определения их чрезвычайного характера такого запаса более чем достаточно. Так, например, нагрев стены здания на 10⁰С выше температуры окружающей среды уже дает повод для изучения ситуации в этой точке панорамы. Поэтому чувствительность канала к разнице температур (температурный контраст) должна быть не хуже 5⁰С, т.е. с двукратным запасом на помехи, налагаемые атмосферой. По тем же соображениям для обнаружения зон КС достаточно погрешности измерения температуры 5⁰С.

Соответственно диапазон рабочих температур для системы контроля кризисных ситуаций в условиях мегаполиса от -50 до +240⁰С (223ч513⁰К), максимальная спектральная плотность потока излучения соответствует диапазону длин волн л_макс ≈ от 13 до 5,6 мкм.

1.2.2 Пространственное разрешение

Исходя из конфигурации АСДМ «Лидар», частью которой является СП-2, диапазон дальности его действия составляет 0,5ч12 км, этому же требованию должна соответствовать и ТепСКО. При этом тепловизионная система наблюдает панораму городской застройки, на которой необходимо выделять зоны или тела с аномальной температурой, это могут быть стены зданий, выбросы дыма и пара, а также открытое пламя. Размеры таких объектов, как правило, не менее 20х20 м, однако могут сильно отличаться в начальной и конечной стадии своего развития. Например, по мере разгорания пожара увеличивается его площадь, а шлейф выбрасываемого дыма может значительно превышать по площади 50х50 м.

В условиях мегаполиса большинство удаленных строений перекрыты городской застройкой, поэтому КС на дальности 8 – 12 км, в большинстве случаев, возможно зарегистрировать только по выбросам нагретых аэрозолей. Исходя из этого, системе, для уверенного обнаружения КС, достаточно различать на расстоянии 12 км объекты размером 50х50 м, что соответствует мгновенному полю зрения около 4 мрад. Это позволит различать на 8 км объекты минимальным размером 25х25 м.