Рис. 2.13. Спектральные характеристики некоторых ПЛЭ:
1 – сернистокадмиевый фоторезистор (CdS); 2 – кремниевый фотодиод; 3 – охлаждаемый фоторезистор GeAu78; 4 – германиевый фотодиод; 5 – фоторезистор PbS; 6 – охлаждаемый оторезистор PbS78; 7 – охлаждаемый фоторезистор InSb78
Основными видами шумов являются следующие:
Тепловой шум – это такой шум, который вызывается хаотическим тепловым движением электронов. Дисперсия его в полосе частот f определяется по формуле
= 4kRf, (2.9)
где k = 1,38 10-23 ДжК-1 – постоянная Больцмана;
– температура ПЛЭ, K;
R – сопротивление ПЛЭ, Ом.
Дробовой шум, определяемый тем, что электрический ток, являясь потоком дискретных частиц, зависит от их числа. Эти частицы флуктуируют во времени. Протекая по нагрузке Rн, этот флуктуирующий ток создает напряжение, дисперсия которого определяется выражением
(2.10)
где е – заряд электрона;
I0– среднее значение силы тока;
f – полоса частот.
Токовый шум, дисперсия которого имеет вид
(2.11)
где AТ – численная постоянная, характеризующая тип ПЛЭ;
1/f – избыточный шум.
При этом спектры теплового и дробового шумов являются равномерными, а спектр токового шума подчиняется зависимости 1/f.
Радиационный (фотонный) шум, определяемый флуктуациями сигналов, попадающих на чувствительный слой ПЛЭ, как от внешних излучателей, так и от элементов самого ПЛЭ. Флуктуация, определяющая дисперсию радиационного шума, определяется выражением
(2.12)
где Т – коэффициент теплового излучения (поглощения) чувствительного слоя ПЛЭ;
= 5,6710-8 Втм-2К-4 – постоянная закона Стефана-Больцмана;
S – площадь чувствительного слоя ПЛЭ;
ф, плэ – температура фона и ПЛЭ соответственно.
При этом спектр этого шума равномерный (белый). Он определяет предел чувствительности ПЛЭ.
Пороговыми параметрами ПЛЭ являются следующие:
Порог чувствительности Фп в заданной полосе частот, который определяется как среднее квадратическое значение (СКЗ) первой гармоники модулированного потока излучения с заданным спектральным распределением, действующего на ПЛЭ. При этом СКЗ напряжения (тока) сигнала равно СКЗ напряжения (тока) шума в заданной полосе частот на частоте модуляции потока. На практике Фп часто определяют, измеряя уровень шумов в схеме включения ПЛЭ и выходной сигнал V, заметно превышающий и соответствующий потоку Ф, т.е.
. (2.13)
Порог чувствительности Фп1 в единичной полосе частот, определяемый как отношение величины Фп к полосе частот:
. (2.14)
Обнаружительная способность D – величина, обратная Фп1:
(2.15)
Удельная обнаружительная способность D* определяется выражением (с учетом конструкции ПЛЭ):
. (2.16)
Инерционность. Эта характеристика ПЛЭ оценивается его постоянной времени , в качестве которой принимают время нарастания или спада сигнала. Время нарастания (0,1...0,9) – интервал времени между точками переходной характеристики ПЛЭ, за который сигнал на выходе ПЛЭ изменяется при внезапном облучении от 0,1 до 0,9 своего установившегося значения при длительном облучении. Время спада (0,9...0,1) – интервал времени уменьшения сигнала после прекращения облучения ПЛЭ от 0,9 до 0,1 его установившегося значения.
Постоянная времени определяет граничную частоту ПЛЭ fгр – частоту синусоидально модулированного потока излучения, падающего на ПЛЭ, при которой его чувствительность снижается до значения 0,707 чувствительности при немодулированном излучении.
Сопротивление. Этот параметр особенно важен при выборе или расчете цепи включения ПЛЭ. Для различных ПЛЭ используются разные параметры, с помощью которых можно оценить сопротивление чувствительного элемента. Например, для фоторезисторов в качестве параметра рассматривается темновое сопротивление RТ – сопротивление ПЛЭ в случае отсутствия его облучения. Для фотодиодов обычно приводят значение дифференциального сопротивления Rд, которое равно отношению малых приращений напряжения сигнала к фототоку при заданных эксплуатационных условиях, например при заданной облученности ПЛЭ.
Геометрические, электрические и другие параметры. Для оценки конструктивных особенностей ПЛЭ при их работе в составе оптико-электронных систем необходимо знать такие их параметры, как площадь и конфигурация чувствительного слоя, оптические свойства (коэффициенты поглощения, преломления и отражения), емкость, напряжение питания, температура чувствительного слоя и ряд других параметров, описывающих его свойства.
Исходя из особенностей использования ПЛЭ в ОГСН, наиболее важными характеристиками ПЛЭ можно считать их спектральные характеристики, учитывающие спектральный диапазон излучения целей на встречных и догонных курсах, и их удельную обнаружительную способность. В связи с тем, что геометрические размеры ПЛЭ в большинстве случаев соизмеримы с размерами модулирующего растра, а изображение цели после модулятора на один-два порядка меньше размеров ПЛЭ, то для исключения неравномерной чувствительности ПЛЭ по площади перед чувствительным слоем ПЛЭ устанавливается иммерсионная линза, которая обеспечивает равномерное облучение всей площади чувствительного слоя.
Трехстепенной гироскоп. Свободный гироскоп является объектом управления СКЦ (рис. 2.14).
Рис. 2.14. Гироскоп с элементами оптической системы:
1, 2, 7 – балансировочные винты; 3 – бленда; 4 – ротор; 5 – зеркало-магнит; 6 – втулка кардана; 8, 10 – чувствительные подшипники; 11 – балансировочное кольцо; 12 – кольцо кардана; 13 – ПЛЭ; 14 – линза конденсора; 15 – скоростной подшипник
Он обладает рядом свойств. Первое свойство заключается в том, что ось собственного вращения ротора гироскопа стремится сохранить неизменным свое направление в пространстве при отсутствии возмущающих факторов (воздействий). Это свойство позволяет исключить колебания (наклоны, повороты) корпуса ракеты на положение оптической оси СКЦ, т.е. поле зрения оптической системы остается стабилизированным в пространстве. Второе свойство свободного гироскопа – прецессия. Сущность прецессии заключается в том, что при приложении к ротору гироскопа внешнего момента ось собственного вращения ротора прецессирует в направлении кратчайшего совмещения векторов внешнего момента и угловой скорости вращения ротора гироскопа.