多元探測器信號特點和噪聲特點

紅外系統(tǒng)為了探側(cè)目標(biāo)，需要對目標(biāo)輻射能進(jìn)行調(diào)制，即把紅外系統(tǒng)接收到的紅外輻射能轉(zhuǎn)換成隨時間變化的斷續(xù)的輻射能，并使斷續(xù)的輻射能的某些特征隨著目標(biāo)信息的變化而變化。紅外輻射的像點掃過焦平面上的光敏電阻時，光敏電阻會產(chǎn)生電脈沖。這個脈沖與相應(yīng)通道的基準(zhǔn)信號相比較，就可得出失準(zhǔn)角在該通道上的分量。輻射源可分為點輻射源和面輻射源。不同的輻射源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，在探測器焦平面上形成的像點不同，光敏電阻產(chǎn)生的電脈沖形狀也不同。其中點狀目標(biāo)信號的波形如圖1。

紅外探測器對目標(biāo)信息進(jìn)行探測時，總存在各種干擾，包括外部的背景輻射干擾和內(nèi)部的噪聲干擾。

這里定義的噪聲是指與入射目標(biāo)輻射信號不相關(guān)的電壓或電流輸出。因此外部的背景輻射干擾也看作是一種噪聲，背景輻射主要指空中能輻射紅外線的自然輻射源，例如太陽、大氣和云團(tuán)等。內(nèi)部噪聲主要有：熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生—復(fù)合噪聲和1/f噪聲等。

多元探測器存在三種形式的噪聲:

(1)白噪聲，主要由熱噪聲、散粒噪聲、產(chǎn)生—復(fù)合噪聲組成。

(2)分形噪聲，即1/f噪聲

(3)背景噪聲

多元探測器熱噪聲

不論是金屬、半導(dǎo)體或其它材料組成的電阻, 由于材料內(nèi)部的熱運動, 導(dǎo)致電阻載流子運動的起伏, 由此產(chǎn)生的噪聲稱為熱噪聲。多元探測器通常采用光敏電阻, 因此也會產(chǎn)生熱噪聲。熱噪聲的公式首先由瓊生和奈奎斯特導(dǎo)出, 常稱奈奎斯特定理。

多元探測器散粒噪聲

它是由探測器響應(yīng)元中的自由電子和空穴通過p-n 節(jié)的不連續(xù)形形成的。散粒噪聲譜的表達(dá)式為

多元探測器產(chǎn)生-復(fù)合噪聲

半導(dǎo)體內(nèi)載流子的產(chǎn)生和復(fù)合都是隨機過程, 各處的載流子濃度以及整個器件的載流子數(shù)均圍繞其平均值有起伏存在。器件中的載流子濃度及數(shù)量的起伏導(dǎo)致其電導(dǎo)率的起伏, 但該半導(dǎo)體器件外加偏壓后, 必引起器件內(nèi)電流及電壓也存在起伏, 此即產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。

多元探測器1/ f 噪聲

在各類電子器件中, 幾乎均發(fā)現(xiàn)了與頻率有關(guān)的另一類噪聲。在低頻范圍內(nèi), 該噪聲常成為器件的主要噪聲。它的產(chǎn)生普遍認(rèn)為與器件的結(jié)構(gòu)工藝有關(guān)。噪聲譜為：

其中：A_d為探測器面積(cm²);f為頻率;I為電流強度;R為電阻。

多元探測器背景噪聲

空中自然輻射源的紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后，投射在探測器上，引發(fā)與目標(biāo)輻射不相關(guān)的干擾輸出。試驗和資料表明，背景噪聲可簡化為頻率大約等于探測器基準(zhǔn)信號頻率的余弦信號。

多元探測器陣列在應(yīng)用上的特點固然很多，但它的制備工藝卻比單個器件復(fù)雜得多，如引線焊接，電路互連，元件致冷等等，這就要求與微電子技術(shù)相結(jié)合。

早期多元陣列是用機械方法劃分，近年已逐步采用微型電路、外延和光刻法制作。線列一般達(dá)幾百元件，鑲嵌陣列到上千個，可達(dá)1萬到10萬個器件，在每排陣列中有100到1，000個元件。

為了保證多元陣列可靠，首先必須保證單個元件的質(zhì)量，這就需要預(yù)先進(jìn)行足夠的試驗。對元件的要求:1)對于角分辨率高的系統(tǒng)，元件尺寸要??；2)空間要求裝配密度要高；3)背景輻射(300°K黑體輻射)探測度和響應(yīng)要好；4)元件一致性、穩(wěn)定性好；5)有足夠的頻率響應(yīng)；6)低頻時的噪聲要低。

多元探測器定義

多元探側(cè)器又稱多元紅外探測器，由多個單元紅外探測器按一定規(guī)則排列而成的線列或面陣器件，是一種新型的探測器，探測器接收到經(jīng)過衰減的紅外信號，經(jīng)過放大、濾波后判定視場中是否存在目標(biāo)。有時也稱為多元陣列器件。多元探測器可由光電導(dǎo)探測器或光伏探測器組成，也可以由熱釋電型探測器組成，主要用于紅外成像系統(tǒng)。改進(jìn)其信號處理方法，可以提高探側(cè)器的探側(cè)距離，使得導(dǎo)彈可以在更遠(yuǎn)距離上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。但在遠(yuǎn)距離上，探測器接受到的信號很弱，如何在保持低虛普率的條件下，提高紅外系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)概率是一個急需解決的間題?？刹捎枚嘣絺?cè)器的導(dǎo)引頭信號處理方法，提高其在中遠(yuǎn)距離上對目標(biāo)的檢測性能。

多元探測器優(yōu)點

隨著紅外技術(shù)應(yīng)用的擴大，以及抗干擾能力的增強，對多元陣列的要求也越加迫切。它除去能使紅外裝置減輕重量，縮小體積，提高可靠性等優(yōu)點外，主要還有如下特點:

1.視場大，可提高探測精度，提高信噪比

目前為了提高探測目標(biāo)的探測能力，通常使用幾個乃至成百個多元探測器陣列來代替單個器件。它與簡單的光學(xué)掃描技術(shù)相結(jié)合，比單個器件能提供較高的靈敏度和較大的視場范圍。過去，為了擴大視場，探測器要使用大量的設(shè)備或者要提高轉(zhuǎn)換率，方能提高器件的信噪比，現(xiàn)在用多元陣列連續(xù)探測一個較寬的視場，一方面可提高大視場單個探測器的信噪比，同時又可不用復(fù)雜的機械掃描，省去很多設(shè)備。與探測同樣大小視場的單個器件相比，探測靈敏度提高杯√N(N為元件數(shù))，即信噪比與探測元件數(shù)的平方根成正比。

2.動態(tài)范圍大，可進(jìn)行多目標(biāo)跟蹤

多元鑲嵌器件在整個使用波長具有較高的靈敏度，能跟蹤多目標(biāo)，動態(tài)范圍大。由幾個元件組成的線性陣列可改進(jìn)探測精度及抑制干擾源等能力，兩維鑲嵌陣列能進(jìn)行邊跟蹤、邊掃描，可在跟蹤多目標(biāo)的同時，連續(xù)搜索其它目標(biāo)。這種不用掃描的傳感裝置具有1，000個PbS探測器陣列和緊湊的微型電路。據(jù)稱，這種裝置有可能用在美帝647預(yù)警衛(wèi)星上。

3.可提高抑制背景的能力

對遙遠(yuǎn)的目標(biāo)來說，探測器在光學(xué)系統(tǒng)視場內(nèi)，從背景接收的輻射顯著超過從目標(biāo)接收的輻射，但目標(biāo)是一個點輻射源，所以有可能用多元陣列來區(qū)別背景輻射。多元陣列裝置可提高信噪比并在瞬時視場內(nèi)準(zhǔn)確提高目標(biāo)位置。

4.提高幀速率，擴大作用距離，不用機械掃描

過去用單個元件要在水平和垂直方向掃描，需用復(fù)雜的棱鏡，而且得不到幀速率、分辨率和靈敏度很高的圖象。單個系統(tǒng)在陰極射線管上顯示的速度僅16幀/秒，現(xiàn)用10個77°KInsb線性陣列，只要在水平方向機械掃描12次，就可得到120條線圖象，掃描速率達(dá)47幀/秒，能分辨小于0.2°C的溫差目標(biāo)。

過去熱成象用單個元件進(jìn)行兩維機械掃描，需半分鐘才建立圖形，角分辨率為1.7毫弧度，噪聲等效溫度為0.1°C，現(xiàn)用128個元件組成一維陣列，用一維機械掃描，整個圖形在一秒鐘內(nèi)建立，由100線組成，角分辨率為2毫弧度，噪聲等效溫度為1°C。制成單片熱電器件陣列的熱成象系統(tǒng)，能使可見光、紅外輻射和X射線成象，成象速率為30幀/秒，原用5x5個元件，現(xiàn)正設(shè)計2500個點元件的大規(guī)模器件。目前的前視紅外系統(tǒng)探測陣列有幾百個元件組成，以后發(fā)展將有上千個或更多的探測元件，這將增大信息速率，擴大系統(tǒng)的作用距離，并改進(jìn)角視場。據(jù)報導(dǎo)，現(xiàn)已能獲得46公里的遠(yuǎn)距成象。由于軍用要求靈敏度高、設(shè)備簡單、可靠，盡量不用復(fù)雜的機械掃描，現(xiàn)用一維陣列一維機械掃描。若用兩維多元陣列，兩維取樣，就可省去機械掃描。

多元探測器研究意義

近年來，國外很重視多元陣列的研制，其原因是:

1)紅外系統(tǒng)的發(fā)展，它要求更靈敏和能集中大量目標(biāo)數(shù)據(jù)和提高信息接收速率，并要求系統(tǒng)尺寸小、重量輕、可靠性高及功率損耗小，這用單個元件是很難達(dá)到的。因此，國外從六十年代初期就著手研制多元器件。目前在紅外多目標(biāo)搜索、跟蹤、制導(dǎo)和成象及衛(wèi)星地平儀等方面都已見應(yīng)用；

2)多元探測器陣列的制造表明了探測器材料和工藝發(fā)展到一個新的水平，也可以說是工藝和結(jié)構(gòu)上的一次變革。雖然目前單個元件的水平很高，但不適應(yīng)于當(dāng)前系統(tǒng)要求均勻的高密度排列，而多元陣列卻可滿足這一要求。元件體積縮小、密度提高、焊點減少、互連引線縮短，使可靠性、開關(guān)速度大大改善，實現(xiàn)了材料、元件和電路三位一體。目前在紅外器件中已應(yīng)用光刻技術(shù)和蒸發(fā)工藝。

今后，紅外器件的發(fā)展是使傳感器這一級具有更多的功能。最好是將器件陣列、冷卻、放大、開關(guān)、信號處理、光譜濾波等都合并到傳感器這一級上。

調(diào)幅制導(dǎo)彈在消除大面積背景干擾方面是成功的，但對于紅外干擾的調(diào)制輻射源干擾抗卻無能為力?？梢宰C明，當(dāng)出現(xiàn)這種干擾時，不論目標(biāo)視線角速度如何變化，陀螺皆以最大力矩Mo向某一固定方向(非目標(biāo)方位)送動，從而導(dǎo)致導(dǎo)彈以最大力矩脫靶。而用多元探測器陣列取代紅外導(dǎo)彈調(diào)制盤，形成調(diào)頻制跟蹤指令，因而采用這種技術(shù)的導(dǎo)彈，除具有原來的優(yōu)點外，還能完消除紅外干擾機的調(diào)制輻射源干擾。

用多元探測器陣列制成的紅外導(dǎo)彈系統(tǒng)，有類似調(diào)制盤的功能，它的信息傳遞方式如圖2。

它除信號解調(diào)過程外，其余與調(diào)幅過程。它借助掃描對光能進(jìn)行調(diào)制，同時它還有如下特點：(1)實現(xiàn)全波調(diào)制，消除了調(diào)制盤僅約50%的效率問題(2)把探測器單元進(jìn)行一定的連接可消除大塊背景干擾。

探測器陣列—般作成線列或矩陣式。下面以簡單的“十”字形紅外探測器陣列，來說明其工作原理。如圖3所示，在光學(xué)掃描系統(tǒng)的焦平面上依次成90°放置著四個紅外光敏元件，當(dāng)目標(biāo)位于光軸上時，掃描圓心與“十”字形中心重合，象點以對等方式穿過四個光敏元件，產(chǎn)生如圖3所示的同周期的四個脈沖。適當(dāng)連接線路使0°、180°和90°、270°元件分別組成的通道都輸出零直流電壓；當(dāng)日標(biāo)編離光軸時，掃描圓與探測器陣列不同心，產(chǎn)生如圖3所示的脈沖信號，再把它和兩路基準(zhǔn)信號相比較，就可獲得直角座標(biāo)系中的兩個電壓分量，其大小反映目標(biāo)俯離光軸的程度，極性表明偏離的方向，至此，它就象調(diào)幅式調(diào)制盤一樣產(chǎn)生了決定目標(biāo)位置的信息，只是信息的表達(dá)式不同。

紅外多元探測器應(yīng)用于紅外導(dǎo)彈使之具有了良好的空曲濾波特性，借助多路傳輸系統(tǒng)和計算機處理可實現(xiàn)跟蹤目標(biāo)的能力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多元探測器必有更加廣闊的發(fā)展前景。