Представлен обзор литературы по многорядным инфракрасным (ИК) фотоприемным устройствам (ФПУ) космического базирования, предназначенным для дистанционного зондирования Земли. Рассмотрены виды устройств, их назначения, основные спектральные диапазоны и принципы работы. Приведены наиболее распространенные схемы цифровых и аналоговых ячеек большой интегральной схемы (БИС) считывания фотосигналов многорядных ИК ФПУ, для каждой схемы указаны условия применимости. Рассмотрены три способа реализации режима временной задержки и накопления (ВЗН): аналоговое суммирование внутри БИС, цифровое суммирование внутри БИС, цифровое суммирование в блоке цифровой обработки. Представлены структурные либо принципиальные схемы ВЗНсуммирования. Рассмотрены наиболее распространенные топологии фоточувствительных элементов (ФЧЭ) многорядных ИК ФПУ космического базирования. Проведен анализ математических моделей многорядных ИК ФПУ.
Consideration is given to a literature review of modern scanning infrared (IR)FPA for Earth remote sensing. The types of devices, their destinations, main spectral ranges and working principles are presented. The main types of analog and digital readout circuits for time delay integration (TDI) FPA and conditions of their applicability are showed. We consider three ways to implement TDI: the analog summing inside the readout circuit, the digital summation inside the readout circuit, the digital summation in the digital processing device. The structure or principle schemes of TDI summation are showed. The most widespread TDI FPA topologies of photosensitive elements are presented. The analysis of mathematical models of IR TDI FPA is showed.
Идентификаторы и классификаторы
- SCI
- Физика
- eLIBRARY ID
- 28409428
В работе представлен обзор многорядных ИК ФПУ космического базирования, предназначенных для дистанционного зондирования Земли. Рассмотрены виды устройств, их назначения, основные спектральные диапазоны. Приведены наиболее распространенные схемы цифровых и аналоговых ячеек большой интегральной схемы считывания фотосигналов многорядных ИК ФПУ, для каждой схемы указаны условия применимости. Рассмотрены три способа реализации режима ВЗН: аналоговое суммирование внутри БИС, цифровое суммирование внутри БИС, цифровое суммирование в блоке цифровой обработки. Представлены структурные либо принципиальные схемы ВЗН-суммирования. Рассмотрены наиболее распространенные топологии фоточувствительных элементов многорядных ИК ФПУ космического базирования. Проведен анализ математических моделей многорядных ИК ФПУ.
Дальнейшее совершенствование систем ДЗЗ, главным образом, обусловлено улучшением тактико-технических характеристик ИК ФПУ, что вполне объяснимо: оптические системы, применяемые в ДЗЗ на текущий момент, доведены почти до совершенства и дальнейшее их улучшение (например, увеличение входной апертуры или снижение поглощения в заданном спектральном диапазоне) кардинально ситуацию не изменит, теория оптимальной фильтрации объектов на пространственно-неоднородном фоне также разработана достаточно подробно, и дальнейшая модернизация алгоритмов обработки сигналов не улучшит параметры системы в разы. Основными направлениями совершенствования сканирующих ИК ФПУ, применяемых в системах ДЗЗ, являются: повышение рабочей температуры фоточувствительных структур при сохранении низких темновых токов и высокой чувствительности, переход к аналогоцифровому преобразованию внутри БИС для снижения энергопотребления, теплопритоков и шумов системы, повышение надежности и радиационной стойкости.
Список литературы
1. Шовенгердт Р. А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений – М.: Техносфера, 2010.
2. Госсорг Ж. Инфракрасная термография. Основы, техника, применение. – М.: Мир, 1988.
3. Формозов Б. Н. Аэрокосмические фотоприемные устройства видимого и инфракрасного диапазонов. – СПб.: БГТУ «Военмех», 2004.
4. Михеев П. А., Мирзоева Л. А., Маковцов Г. А., Васильев Н. Г., Лустберг Э. А., Камешков Г. Б., Амосова Л. П. // Прикладная физика. 2000. № 5. С. 108.
5. Бакланов А. И. Системы наблюдения и мониторинга – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009..
6. Бурлаков И. Д., Дирочка А. И., Корнеева М. Д., Пономаренко В. П., Филачев А. М. // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. № 5. С. 509.
7. Кузнецов П. А., Мощев И. С. // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. № 2. С. 163.
8. Vuillermet Michel, Rubaldo Laurent, Chabuel Fabien, Pautet Christophe, Terme Christophe Jean, Mollard Laurent, Rothman Johan, Baier Nicolas. Hot infrared detectors using MCT technology / Proc. Infrared Technology and Applications XXXVII. – 2011.
9. Zimmermann P. H., Hairston A., Parodos T., Norton P., Hines R., Welsch J. 432x432 SW/MW fpas with extended dynamic range // NASA. 2002. Vol. 40.
10. Мисник В. П. Печатный орган Вневедомственного экспертного совета по проблемам воздушно-космической обороны (ВЭС ВКО), 2010. № 1. http://www.vko.ru/koncepcii/pervyy-eshelon-sprn
11. Кузнецов П. А., Хромов С. С. // Прикладная физика. 2013. № 4. С. 12.
12. Патрашин А. И. // Прикладная физика. 2010. № 2. С. 103.
13. Карнаушенко Д. Д., Ли И. И., Половинкин В. Г. // Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 9. C. 30.
14. Van Blerkom D. A. Analysis and simulation of CTIAbased pixel reset noise / Proc.Infrared Technology and Applications XXXVII. 2011. Vol. 8012.
15. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. – Новосибирск: Наука, 2003. .
16. Бочков В. Д., Дражников Б. Н., Кузнецов П. А., Козлов К. В., Соляков В. Н. // Прикладная физика. 2014. № 1. C. 53.
17. Kitchen A., Bermak A., Bouzerdoum A. // IEEE Transactions on electron devices. 2005. Vol. 52. P. 2591.
18. Minzeng Li, Fule Li, Chun Zhang, Zhihua Wang // Journal of Semiconductors. 2014. Vol. 35. No. 11. P. 115009-2.
19. Кузнецов П. А., Мощев И. С. // Прикладная физика. 2014. № 1. С. 63.
20. Кузнецов П. А., Мощев И. С. // Успехи прикладной физики. 2015. Т. 3. № 1. С. 71.
21. Кузнецов П. А., Мощев И. С. // Прикладная физика. 2015. № 5. С. 107.
22. Кузнецов П. А., Хромов С. С., Зайцев А. А. // Прикладная физика. 2012. № 5. C. 95.
23. Тришенков, М.А. Фотоприемные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. – М.: Радио и связь, 1992.
24. Патрашин А. И., Бурлаков И. Д., Иванов Г. А. // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. № 5. C. 520.
25. Кузнецов П. А., Мощев И. С., Хромов С. С. // Успехи прикладной физики. 2013. Т. 1. № 5. С. 606.
26. J. Hynecek Patent No. 6459077B1 US, Bucket Brigade TDI Photodiode Sensor, Oct. 1, 2002.
27. Козлов К. В., Кузнецов П. А. // Прикладная физика. 2015. № 3. С. 61.
28. Бочков В. Д., Дражников Б. Н., Кузнецов П. А., Козлов К. В., Соляков В. Н. // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. № 1. С. 71.
29. Кузнецов П. А., Мощев И. С., Салов В. В., Кощанцев Н. Ф. // Успехи прикладной физики. 2014. Т. 2. № 6. С. 635.
30. Kendrick S. E., Harwit A., Kaplan M., Smythe W. D. MWIR Imaging Spectrometer with Digital Time Delay Integration for Remote Sensing and Characterization of Solar System Objects // Infrared Spaceborne Remote Sensing and Instrumentation XV. 2007. Vol. 6678.
31. Boreman Glenn D. Modulation transfer function in optical and electro-optical systems. – SPIE Press, 2001.
32. Щербина Г. А. // Журнал радиоэлектроники. 2014. № 6. C. 1.
33. Lomheim Terrence S., Kwok Jeffrey D., Dutton Tracy E., Shima Ralph M., Johnson Jerris F., Boucher Richard H., Wrigley Christopher J. Imaging artifacts due to pixel spatial sampling smear and amplitude quantization in two-dimensional visible imaging arrays // Infrared Imaging Systems: Design, Analysis, Modeling, and Testing X. 1999. Vol. 3701.
34. Cota Steve A., Lomheim Terrence S., Florio Christopher J., Harbold Jeffrey M., Muto Michael B., Schoolar Richard B., Wintz Daniel T., Keller Robert A. // Imaging Spectrometry XVI. 2011. Vol. 8158.
35. Патрашин А. И., Бурлаков И. Д., Корнеева М. Д., Шабаров В. В. // Прикладная физика. 2014. № 1. С. 38.
36. Патрашин А. И. // Прикладная физика. 2010. № 3. C. 123.
37. Ando K.J. MTF and point-spread function for largearea CCD imager / Proc.: Symp. On Charge-Coupled Device Technol. For Sci. imaging Appl. 1975. No. 75-28841. P. 192–215.
1. R. A. Schowengerdt, Remote Sensing. Models and Methods for Image Processing. (Academic Press, 2007).
2. Gilbert Gaussorgues. La Thermographie Infrarouge. (Lavoisier, Paris; Mir, Moscow, 1988).
3. B. N. Formozov, Aerospace FPA of Visible and Infrared Spectral Ranges. (Sankt Peterburg.: BGTU «Voenmech», 2004) [in Russian].
4. P. A. Miheev, L. A. Mirzoeva, G. A. Makovtsev, N. G. Vaciliev, E. A. Lustberg, G. B. Kameshkov, and L. P. Amosova, Prikl. Fiz. No. 5, 108, (2000).
5. A. I. Baklanov, Systems of Remote Sensing. (Moscow, BINOM, 2009) [in Russian].
6. I. D. Burlakov, A. I. Dirochka, M. D. Korneeva, V. P. Ponomarenko, and A. M. Filachev, Usp. Prikl. Fiz., 2, 509 (2014).
7. P. A. Kyznetsov and I. S. Moshchev, Usp. Prikl. Fiz., 2, 163 (2014).
8. Michel Vuillermet, Laurent Rubaldo, Fabien Chabuel, Christophe Pautet, Christophe Jean Terme, Laurent Mollard, Johan Rothman, and Nicolas Baier. Hot infrared detectors using MCT technology, in Proc. Infrared Technology and Applications XXXVII. (2011).
9. P. H. Zimmermann, A. Hairston, T. Parodos, P. Norton, R. Hines, and J. Welsch, 432x432 SW/MW fpas with extended dynamic range, NASA. Vol. 40. (2002)
10. http://www.vko.ru/koncepcii/pervyy-eshelon-sprn
11. P. A. Kuznetsov and S. S. Khromov, Prikl. Fiz. No. 4, 12 (2013).
12. A. I. Patrashin, Prikl. Fiz. No. 2, 103 (2010).
13. D. D. Karnayshenko, I. I. Ly, V. G. Polovynkin, Optical Journal. No. 9, 30 (2010).
14. D. A. Van Blerkom, Analysis and simulation of CTIAbased pixel reset noise, in Proc. Infrared Technology and Applications XXXVII. (2011). Vol. 8012.
15. A. Rogalski, Infrared detectors. (CRC Press, Taylor & Francis Group. 2011)
16. V. D. Bochkov, B. N. Drazhnikov, P. A. Kyznetsov, K. V. Kozlov, and V. N. Solyakov, Prikl. Fiz. No. 1, 53 (2014).
17. A. Kitchen, A. Bermak, A. Bouzerdoum, IEEE Transactions on Electron Devices 52, 2591 (2005).
18. Li Minzeng, Li Fule, Zhang Chun, Wang Zhihua, Journal of Semiconductors 35, 115009-2 (2014).
19. P. A. Kyznetsov and I. S. Moshchev, Prikl. Fiz. No. 1, 63 (2014).
20. P. A. Kyznetsov and I. S. Moshchev, Usp. Prikl. Fiz., 3, 71 (2015).
21. P. A. Kyznetsov and I. S. Moshchev, Prikl. Fiz. No. 5, 107 (2015).
22. P. A. Kyznetsov, S. S. Khromov and A. A. Zaitsev, Prikl. Fiz. No. 5, 95 (2012).
23. M. A. Trishenkov, Detection of Low-Level Optical Signals. Photodetectors, Focal Plane Arrays and Systems. (Kluwer Academic Publishers. 1997).
24. A. I. Patrashin, I. D. Burlakov and G. A. Ivanov, Usp. Prikl. Fiz., 2, 520 (2014).
25. P. A. Kyznetsov, I. S. Moshchev and S. S. Khromov, Ups. Prikl. Fiz., 5, 606 (2013).
26. J. Hynecek, Patent No. 6459077B1 US, Bucket Brigade TDI Photodiode Sensor, Oct. 1, 2002.
27. K. V. Kozlov and P. A. Kyznetsov, Prikl. Fiz. No. 3, 61 (2015).
28. V. D. Bochkov, B. N. Drazhnikov, P. A. Kyznetsov, K. V. Kozlov, and V. N. Solyakov, Ups. Prikl. Fiz., 2, 71 (2014).
29. P. A. Kyznetsov, I. S. Moshchev, V. V. Salo, and N. F. Koshantsev, Usp. Prikl. Fiz., 2, 635 (2014).
30. S. E. Kendrick, A. Harwit, M. Kaplan, and W. D. Smythe, Infrared Spaceborne Remote Sensing and Instrumentation XV. 6678, (2007)
31. Glenn D. Boreman, Modulation transfer function in optical and electro-optical systems. (SPIE Press, 2001).
32. G. A. Sherbina, Zhurnal Radio-Electronili, No. 6, 1 (2014).
33. Lomheim Terrence S., Kwok Jeffrey D., Dutton Tracy E., Shima Ralph M., Johnson Jerris F., Boucher Richard H., Wrigley Christopher J., Infrared Imaging Systems: Design, Analysis, Modeling, and Testing X. 3701, (1999).
34. Steve A. Cota, Terrence S. Lomheim, Christopher J. Florio, Jeffrey M. Harbold, Michael B. Muto, Richard B. Schoolar, Daniel T. Wintz, and Robert A. Keller, Imaging Spectrometry XVI. 8158, (2011).
35. A. I. Patrashin, I. D. Burlakov, M. D. Korneeva, and V. V. Shabarov, Prikl. Fiz. No. 1, 38 (2014).
36. A. I. Patrashin, Prikl. Fiz. No. 3, 123 (2010).
37. K. J. Ando, in Proc.: Symp. On Charge-Coupled Device Technol. For Sci. Imaging Appl. No. 75-28841. P. 192–215 (1975).
Выпуск
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ОБЩАЯ ФИЗИКА
Якубович Б. И. О трехуровневом случайном сигнале 5
Бердников А. С., Аверин И. А., Краснова Н. К., Соловьёв К. В. Об однородности скалярных и векторных потенциалов электрических и магнитных полей, однородных по Эйлеру 10
Никитин А. И., Величко А. М., Никитина Т. Ф., Степанов А. И., Степанов И. Г. Условия существования связанных структур из тел, имеющих электрический заряд одного знака 28
Наумов Н. Д., Никольский В. А. Влияние дождя на искажение радиоимпульса 41
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ И ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ
Юрков Д. И., Дулатов А. К., Лемешко Б. Д., Андреев Д. А., Голиков А. В., Михайлов Ю. В., Прокуратов И. А., Селифанов А. Н., Фатиев Т. С. Установка плазменного фокуса с током до 2 МА как источник жесткого рентгеновского излучения 45
ФОТОЭЛЕКТРОНИКА
Войцеховский А. В., Кульчицкий Н. А., Несмелов С. Н., Дзядух С. М. Aдмиттанс МДП-структур на основе МЛЭ Hg1-xCdxTe (x = 0,21–0,23) в широком диапазоне температур 54
Козлов К. В., Патрашин А. И., Бурлаков И. Д., Бычковский Я. С., Дражников Б. Н., Кузнецов П. А. Современные инфракрасные фотоприемные устройства для сканирующей аппаратуры дистанционного зондирования Земли (обзор) 63
ФИЗИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Гамкрелидзе С. А., Кондратенко В. С., Стыран В. В., Трофимов А. А., Щаврук Н. В. Влияние разработанных базовых методов резки приборных пластин сапфира и карбида кремния на выход годных нитридных СВЧ монолитных интегральных схем 79
ИНФОРМАЦИЯ
Перечень статей, переведенных и опубликованных в англоязычных журналах в 2016 г. 86
Правила для авторов 89
Подписка на электронную версию журнала 92
C O N T E N T S
GENERAL PHYSICS
B. I. Yakubovich The threelevel random signal 5
A. S. Berdnikov, I. A. Averin, N. K. Krasnova, and K. V. Solovyev Theorems on the homogeneity of scalar and vector potentials for 3D electric and magnetic fields which are homogeneous in Euler terms 10
A. I. Nikitin, A. M. Velichko, T. F. Nikitina, A. I. Stepanov, and I. G. Stepanov The conditions for existing the structures consisting the bodies with electric charge of the same sign 28
N. D. Naumov and V. A. Nikolsky The effect of a rain on the radiowave pulse distortion 41
PLASMA PHYSICS AND PLASMA METHODS
D. I. Yurkov, A. K. Dulatov, B. D. Lemeshko, D. A. Andreev, A. V. Golikov, Yu. V. Mikhailov, I. A. Prokuratov, A. N. Selifanov, and T. S. Fatiev The plasma focus device with the 2-MA discharge current as a hard X-ray source 45
PHOTOELECTRONICS
A. V. Voitsekhovskii, N. A. Kulchitsky, S. N. Nesmelov, and S. M. Dzyadukh Admittance of MIS structures based on MBE Hg1-xCdxTe (x = 0.22–0.23) in a wide temperature range 54
K. V. Kozlov, A. I. Patrashin, I. D. Byrlakov, Y. S. Bychkovsky, B. N. Drazhnikov, and P. A. Kyznetsov Analysis of the modern scanning infrared FPA for remote sensing (a review) 63
PHYSICAL EQUIPMENT AND ITS ELEMENTS
S. A. Gamkrelidze, V. S. Kondratenko, V. V. Styran, A. A. Trofimov, and N. V. Shchavruk Effect of cutting methods designed instrument plates sapphire and silicon carbide yields nitridgallievyh Microwave monolithic integrated circuits 79
INFORMATION
The list of articles translated and published in English language journals in 2016 86
Rules for authors 89
Subscription to an electronic version of the journal 92
Другие статьи выпуска
Материалами подложки приборных пластин в современной сверхвысокочастотной (СВЧ) электронике на основе GaN/AlGaN выступают сапфир и карбид кремния, которые обладают высокой твердостью и одновременно являются хрупкими. Методы разделения таких приборных пластин на отдельные кристаллы недостаточно изучены в совокупности свойств материала подложки и особенностей изготовления современных монолитных интегральных схем (МИС). В настоящей работе рассматривается разработка базовых производственных маршрутов, повышающих эффективность существующих методов резки приборных пластин сапфира и карбида кремния применительно к приборным пластинам с изготовленными на них современными СВЧ МИС на нитридных гетероструктурах, а также изучение влияния резки на технико-эксплуатационные параметры МИС.
Рассмотрены особенности электрофизических свойств n(p)-Hg1-xCdxTe (x = 0,21–0,23) с диэлектриками Al2O3 или SiO2/Si3N4. Пленки HgCdTe были выращены методом молекулярнолучевой эпитаксии на подложках из GaAs(013) и Si (013). Обсуждены возможности определения основных параметров МДП-структур на основе n(p)-Hg1-xCdxTe (x = 0,21–0,23) с варизонным слоем и без варизонного слоя из адмиттанса структур, измеренного в широком диапазоне температур и частот.
В статье описана установка на основе генератора импульсных токов с емкостным накопителем энергии, работающего на нагрузку в виде камеры плазменного фокуса (ПФ). Установка обеспечивает амплитуду разрядного тока до 2 МА в камере ПФ при запасаемой энергии в конденсаторной батарее до 150 кДж. Камера ПФ разработана для изучения жесткого рентгеновского излучения (ЖРИ), она имеет окна на корпусе для вывода ЖРИ в сторону катода, а также специальную вставку для вывода ЖРИ внутрь анода. Проведено исследование работы камеры в составе установки с использованием различных рентгеновских мишеней на аноде. При разрядном токе 1,5 МА в камере ПФ генерируется импульс ЖРИ со средней длительностью 16 нс, энергетическим спектром от 10 до 200 кэВ, который обеспечивает поглощенную дозу в облучаемых образцах порядка 1 Зв.
Рассматривается задача о распространении радиоимпульса в дожде с заданным распределением интенсивности вдоль трассы. Сформулирована процедура расчетной оценки трансформации радиоимпульса с учетом дифракции и ослабляющего влияния дождя. Рассмотрена антенна с прямоугольным излучающим раскрывом, параболическая антенна и рупорная антенна. Показано, что на оси однородно возбужденной прямоугольной антенны и на оси параболической антенны зависимость поля от времени определяется производной начальной временной формы импульса. Предлагаемый метод оценки влияния дифракции на искажение импульса применим в случае любой слабопоглощающей среды.
В литературе и интернете имеется много свидетельств о наблюдении в атмосфере сферических светящихся объектов, представляющих собой взаимно связанные структуры – пары, треугольники, четырёхугольники и т. д. В статье проведён теоретический и экспериментальный анализ условий существования связанных структур из тел, обладающих электрическим зарядом одного знака. Показано, что сила кулоновского расталкивания таких объектов может быть скомпенсирована их отталкиванием от периферического облака зарядов того же знака, возникающего из-за стекания части заряда шара в атмосферу.
Электрические и магнитные поля, однородные по Эйлеру, являются удобным инструментом для разработки электронно- и ионно-оптических систем. Принцип подобия траекторий, впервые применённый Ю. К. Голиковым, позволяет с помощью полей, принадлежащих этому классу, целенаправленно синтезировать корпускулярно-оптические системы с идеальными спектрографическими свойствами. До сих пор предполагалось само собой разумеющимся, что однородные по Эйлеру электрические и магнитные поля описываются потенциалами, представляющими собой однородные по Эйлеру функции. В данной работе этот вопрос исследуется математически строго. Важным результатом является то, что для полей, однородных по Эйлеру с нулевым показателем однородности, утверждение об обязательной однородности скалярного потенциала не является справедливым (возможно присутствие аддитивной логарифмической добавки, не являющейся однородной функцией), но это является единственным исключением из рассмотренного правила. Однако для векторного потенциала утверждение о существовании у однородного по Эйлеру поля однородного же векторного потенциала, обладающего соответствующим порядком однородности, будет справедливым при всех порядках однородности, включая нулевой.
Проанализирован трехуровневый случайный сигнал. Вычислены выражения для спектра сигнала в различных случаях. Определен вид спектра сигнала при равномерном распределении вероятностей изменения амплитуды сигнала для каждого значения амплитуды. Сделаны выводы о возможности широкого применения полученных результатов для исследований физических процессов, имеющих вид трехуровневого случайного сигнала. Показано, что результаты статьи могут быть использованы для изучения взрывного шума и изучения электрических флуктуаций в полупроводниках, вызванных ловушками. Отмечена возможность применения результатов анализа трехуровневого случайного сигнала при проведении как фундаментальных, так и прикладных исследований.
Издательство
- Издательство
- АО "НПО "ОРИОН"
- Регион
- Россия, Москва
- Почтовый адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- Юр. адрес
- 111538, г Москва, р-н Вешняки, ул Косинская, д 9
- ФИО
- Старцев Вадим Валерьевич (ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР)
- E-mail адрес
- orion@orion-ir.ru
- Контактный телефон
- +7 (499) 3749400