Публикации автора

Показано влияние низкочастотных шумов на точность измерения сигнала, получаемого с фотоприемных устройств второго и третьего поколений. В работе приведена методика определения величины сигнала и рассмотрены характерные для фотоприемных устройств второго и третьего поколений виды шумов и их спектры, и сделан вывод о том, что их предположительно спектр шума — «розовый». Показано, что в общем случае увеличение числа выборок не приводит к существенному увеличению точности определения величины сигнала. Проведено математическое моделирование влияния низкочастотных шумов на точность определения величины сигнала. Сделан вывод о том, что для повышения достоверности измерений сигнала с фотоприемных устройств, работающих при малом времени накопления, необходимо прореживание входных данных с целью увеличения времени измерения.

В работе исследуется влияние алгоритма режима временной задержки и накопления (ВЗН) на выходные характеристики многорядного матричного фотоприемного устройства (МФПУ). В качестве параметров выходных характеристик используются пространственное разрешение и амплитуда сигнала от точечной цели. Рассмотрены два способа реализации режима ВЗН внутри большой интегральной схемы (БИС) считывания: на основе аналогового КМОП ВЗН-регистра и на основе ВЗН-сумматоров. Исследованы зависимости пространственного разрешения и амплитуды ВЗН-сигналов от значения коэффициента переноса заряда между ячейками регистра. Предложен универсальный метод выбора параметров ВЗН-регистра. Произведено сравнение двух способов реализации режима ВЗН с точки зрения параметров выходных характеристик МФПУ.

Разработана аналитическая модель облученности фотослоя сканирующих и смотрящих матричных фотоприемных устройств (МФПУ). Плоскость фотослоя МФПУ в общем случае представляет собой любой заданный набор матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ) с различными спектральными характеристиками и расположением. Конструкция оптического тракта также представляет собой набор заданных плоскостей с любыми заданными окнами (диафрагмами), светопоглощающими экранами и светофильтрами, согласованными с заданным объективом и МФЧЭ. Учтены такие паразитные компоненты, как облученность от объектива, от всех светопоглощающих экранов и внешнего корпуса, от окон, с учетом их спектральных коэффициентов пропускания. Рассмотрены случаи с однородным и неоднородным внешним фоном, с изображением объектов с низкими и высокими пространственными частотами вплоть до точечных изображений.

Проведено комплексное теоретическое исследование, позволившее оценить степень влияния взаимосвязи сигналов многорядного крупноформатного фотоприемного устройства (ФПУ) на его характеристики. Предложено классифицировать виды взаимосвязи следующим образом, а именно, выделить два вида фотоэлектрической связи: “внутриканальную фотоэлектрическую связь” и “межканальную фотоэлектрическую связь”, а также два вида электрической связи: “взаимосвязь в схеме ВЗН-суммирования” (ВЗН — временная задержка и накопление) и “взаимосвязь внутри блока сопряжения”. Представлены формы выходных сигналов ФПУ, характерные для каждого вида взаимосвязи сигналов. Вычисления проведены для двух различных топологий матриц фоточувствительных элементов. Результаты, полученные в работе, применимы для широкого класса инфракрасных (ИК) ФПУ с режимом ВЗН.

В данной работе представлена классификация и проведен сравнительный анализ топологий матриц фоточувствительных элементов (МФЧЭ) многорядных матричных фотоприемных устройств (ФПУ) с режимом временной задержки и накопления (ВЗН) для инфракрасных (ИК) односпектральных оптико-электронных систем (ОЭС) с линейным однокоординатным сканированием. Предложен новый тип топологий МФЧЭ с «вложенными субматрицами», позволяющий снизить требования к юстировке ОЭС с одновременным обеспечением высоких пороговых характеристик. Рассчитаны требования к точности юстировки ОЭС со сканированием в зависимости от типа и параметров топологии МФЧЭ. Предложены топология МФЧЭ и новый способ комбинированного ВЗНсуммирования, позволяющие улучшить пороговые характеристики ОЭС на основе аналоговых КМОП-регистров ВЗН при сохранении суммарной емкости схемы ВЗН-суммирования. Предложен метод расчета требований к устройству, сканирующему ОЭС при использовании ФПУ с многосубматричной топологией МФЧЭ. Рассчитаны амплитуды сигналов на выходе ОЭС после процедуры согласованного суммирования в зависимости от степени рассинхронизации процессов сканирования и ВЗН-суммирования.

Представлен аналитический метод расчета параметров инфракрасного (ИК) фотоприемного устройства с заданной топологией матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ), осуществляющего регистрацию малоразмерных объектов в режиме линейного сканирования. Метод позволяет оценить отношение сигнал/шум и пространственное разрешение ИК фотоприемного устройства (ФПУ) с режимом временной задержки и накопления (ВЗН) с учетом функции рассеяния точки оптической системы, пространственного распределения чувствительности фоточувствительных элементов (ФЧЭ), параметров дискретизации, ВЗН-суммирования и накопления, значений дробового шума и шума считывания, согласованного суммирования выходных сигналов ИК ФПУ. Проведена оценка пространственного разрешения ИК ФПУ в направлении сканирования, а также в направлении, ортогональном сканированию по двум малоразмерным объектам и по гармоническим мирам в зависимости от параметров топологии МФЧЭ. Найдены оптимальные размеры ФЧЭ (обеспечивающие максимальное отношение сигнал/шум, пространственное разрешение системы при этом не учитывалось) при регистрации пятна излучения в плоскости МФЧЭ, расположенного в максимуме/минимуме пеленгационной характеристики, с учетом/без учета шума считывания, с учетом/без учета дополнительной пространственной обработки выходных сигналов.

Проведены исследования работоспособности и корректности метода измерения квантовой эффективности и темнового тока ФЧЭ матричных фотоприемных устройств, а также справедливости разработанного алгоритма расчета указанных параметров по трем измерениям выходного сигнала при разных температурах АЧТ и отличных от нуля временах накопления. Исследования проводились с помощью разработанного пакета программного обеспечения, позволяющего автоматически рассчитывать величины темновых токов ФЧЭ, величины их квантовых эффективностей, значения начальных напряжений отсчета выходных сигналов ячеек кремниевых мультиплексоров, однородность распределения указанных параметров по площади МФЧЭ, строить 2D-распределения и гистограммы параметров в заданных масштабах, определять степень дефектности МФЧЭ. Исследование корректности метода расчета квантовых эффективностей и темновых токов ФЧЭ методом сравнения зависимости экспериментально измеренных и теоретически рассчитанных выходных сигналов ФЧЭ от температуры АЧТ при заданном времени накопления показало совпадение теории и эксперимента с точностью до 2 %.

Представлена математическая модель оптико-электронного тракта крупноформатного инфракрасного (ИК) фотоприемного устройства с режимом временной задержки и накопления (ВЗН), предназначенного для регистрации малоразмерных объектов. Модель позволяет получать изображения на выходе сканирующего фотоприемного устройства большого формата (с количеством каналов ВЗН, большим 10000) и прогнозировать параметры приборов с учетом погрешностей установки отдельных фотоприемных модулей, паразитной засветки фоточувствительного слоя, шумов оптико-электронного тракта, взаимного влияния сигналов внутри ФПУ, разброса чувствительности и темновых токов фоточувствительных элементов (ФЧЭ), недостатков схемы ВЗН-суммирования и т. д. В модели также реализована возможность моделирования сигналов в режиме с адаптивным временем накопления. Модель ИК ФПУ состоит из четырех основных частей: аналитической модели облученности (АМО), позволяющей рассчитать распределение облученности в плоскости фотослоя от сцены и элементов конструкции ФПУ; аналитической модели сигналов (АМС), в рамках которой оптико-электронный тракт ФПУ представлен произведением частотных передаточных функций отдельных линейных процессов; имитационной модели сигналов (ИМС), являющейся более общей (чем АМС) моделью и содержащей подробное описание отдельных модулей реальных ФПУ; аналитической модели шумов (АМШ), позволяющей рассчитать шумы ИК ФПУ с различной схемотехникой большой интегральной схемы (БИС) считывания при известных фототоках и темновых токах каждого из ФЧЭ. В данной статье представлена первая часть работы – описание математического аппарата моделей.

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.

В работе предложено решение задачи оптимизации частотной характеристики входных ячеек большой интегральной схемы (БИС) считывания инфракрасных (ИК) многорядных фотоприемных устройств (ФПУ), осуществляющих регистрацию малоразмерных объектов на пространственно-однородном фоне. В качестве критерия выбрано значение отношения сигнал/шум на выходе ячейки. Предложено расположить дополнительные (отключаемые) дискретно-аналоговые фильтры нижних частот (ФНЧ) первого порядка в ячейках БИС после интеграторов. Подключение дополнительных ФНЧ позволит обеспечить высокую чувствительность к излучению малоразмерного объекта, а отключение ФНЧ – высокое пространственное разрешение. В работе определены оптимальные параметры дополнительных ФНЧ, проведено сравнение эффективности работы предложенных ФНЧ с эффективностью согласованного суммирования сигналов от малоразмерного объекта.

Рассмотрен метод установки заданной облученности, создаваемой моделью черного тела (МЧТ) в произвольной плоскости. Метод основан на использовании нового параметра – коэффициента излучения МЧТ. Коэффициент излучения МЧТ – это отношение потоков излучения (квантового или энергетического), исходящих соответственно от излучающей площадки и от бесконечно большой излучающей плоскости с той же температурой и степенью черноты, но падающих в заданную точку параллельной плоскости. Данный параметр позволяет просто и корректно определить величину облученности в заданной точке плоскости, отстоящей от МЧТ на заданном расстоянии. МЧТ может иметь излучающую площадку с любой заданной формой, размерами, температурой и степенью черноты. Приведен вывод аналитических выражений коэффициента излучения и облученности, создаваемой МЧТ. Рассмотрены облученности, создаваемые МЧТ с круглыми и квадратными диафрагмами и распределения облученности по площади. Показано, что отличие облученностей от МЧТ с равновеликими круглой и квадратной излучающими площадками близко к одному проценту. На основе предложенного метода расчета облученности предложен метод установки заданной облученности и неоднородности облученности от МЧТ.