Паспортизация приемников. Пересчет их параметров

Так как параметры и характеристики ПИ существенно зависят от условий их эксплуатации, спектрального состава и других параметров потока, необходимо четко оговорить некоторые стандартные (нормальные) условия, в которых следует проводить их измерения (паспортизацию). Кроме того, параметры и характеристики ПИ разных типов и назначения резко различаются между собой, поэтому ограничиться для всех ПИ одними и теми же стандартными условиями не представляется возможным.

Излучатели для калибровки ПИ:

- - Приемники, работающие в средней части ИК спектра, т.е. в диапазоне 1,5...20 мкм (обычно это охлаждаемые ПИ), калибруют по излучателю — черному телу с температурой 373 K.

- - Неохлаждаемые фоторезисторы, работающие в первом, а иногда и во втором атмосферных окнах, калибруют по черному телу с температурой 573 K.

- - Параметры ПИ, работающих в видимом диапазоне, определяют по лампам накаливания — источникам А с цветовой температурой вольфрамовой нити T_ц = 2856 K, источникам В (T_ц = 4800 K) и С (T_ц =6500 K).

Частоты модуляции и полосы пропускания при паспортизации ПИ находятся в зависимости от инерционности ПИ и спектра шумов:

- - чувствительность многих фоторезисторов определяется при частотах модуляции 400 и 500 Гц и полосе пропускания измерительной установки в несколько десятков герц;

- - весьма инерционные тепловые ПИ паспортизуются при частотах модуляции потока в несколько герц;

- - малоинерционные ПИ паспортизуются при частотах 900...1000Гц.

Должны быть оговорены также следующие данные:

- - температура окружающей среды, влажность, давление;

- - конструктивные параметры измерительной установки такие как входное сопротивление R_вх (обычно R_вх³ R_т) и уровень шума , приведенный к выходу ПИ (обычно уровень шума  установки должен быть не менее чем в 2 раза меньше уровня шумов исследуемого ПИ).

Иногда некоторые важнейшие условия измерений параметра приводятся в качестве индексов при его обозначении. Например, D^*_500,90,1 означает, что измерение D^* велось по черному телу с температурой 500K, при частоте модуляции 90 Гц и было отнесено к полосе пропускания 1 Гц.

В реальных условиях работы ПИ принимает поток, как правило, отличающийся по своему спектральному составу от потока, который он принимает при паспортизации. Например, это происходит вследствие того, что температура излучателя, по которому работает ОЭП, отличается от температуры источника, по которому паспортизуется (калибруется) ПИ. В ряде случаев ПИ, откалиброванный по отношению к излучению со сплошным спектром (например, по отношению к излучению черного тела), работает с монохроматическим потоком (например, потоком, приходящим от лазера). Поэтому в каждом таком случае параметры ПИ должны быть пересчитаны для новых условий. Рассмотрим характерный пример пересчета чувствительности ПИ.

Пусть имеется ПИ с чувствительностью s_v1 к излучению со спектральной плотностью потока излучения F_l1. Требуется определить его чувствительность s_v2 к излучению источника, описываемому функцией F_l2, т.е., например, к излучателю с другой температурой.

Выражение для чувствительности ПИ в общем виде можно записать как

где F_l — функция, описывающая распределение потока, пришедшего на ПИ в диапазоне l_m...l_n по спектру длин волн; t_l — спектральный коэффициент пропускания среды; s_l — спектральная характеристика чувствительности ПИ; s_lmax — абсолютное значение спектральной чувствительности в максимуме спектральной характеристики ПИ.

При измерении чувствительности s_v1 работа происходит в среде со спектральным пропусканием t_l1 в диапазоне l₁...l₂, а при работе по излучателю, свойства которого описываются функцией F_l2 — в среде с пропусканием t_l2 в диапазоне l₃...l₄, причем t_l2 может учитывать и пропускание оптики прибора.

Если в случае калибровки ПИ и при его работе в реальных условиях рабочая точка энергетической характеристики для монохроматического потока лежит в линейной зоне, т.е. s_lmaxl =s_lmax2=s_lmax , то, очевидно,

откуда искомая величина

 (6.3)

В том случае, когда берутся одинаковые пределы интегрирования по l, а величины t_l1 и t_l1 принимаются постоянными,

(6.4)

где j₁ и j₂ — коэффициенты использования (см. § 6.2).

Очень часто в практике подобных расчетов приходится переходить от параметров, размерность которых выражена в световых единицах, к параметрам с размерностью в энергетических единицах. Например, значение токовой чувствительности кремниевого фотодиода приводится в единицах ампер на люмен, в то время как максимум его спектральной характеристики чувствительности приходится на ближнюю ИК область, где поток измеряется не в люменах, а в ваттах. Паспортная чувствительность s_I в амперах на люмен определяется по источнику — лампе с определенными температурой нити накала T₁ (T_ц=2856K) и спектром F_l1, и может быть с учетом формулы для светового потока представлена для диапазона l₁...l₂ как

Рассуждая так же, как и при выводе (6.3), можно получить следующее выражение для токовой чувствительности s_I2, определенной для излучателя со спектром F_l2 в диапазоне l₃...l₄:

 (6.5)

Аналогично можно пересчитать и другие параметры, изменяющиеся с переходом к излучателю с новым спектральным составом излучения. Например, для пересчета порога чувствительности можно воспользоваться зависимостью (6.4), и если радиационный шум ПИ мал по сравнению с другими шумовыми составляющими, то формула для величин F_П в соответствии с (6.1) и (6.4) будет выглядеть следующим образом:

Ф_П2 = Ф_П1j₁/j₂. (6.6)

Общую методику пересчета параметров можно свести к следующей последовательности действий:

1. 1. составляется развернутое — «спектральное» — выражение для известного (паспортного) параметра ПИ с учетом его размерности;

2. 2. составляется такое же выражение для искомого — пересчитываемого — параметра с учетом отличий в условиях работы ПИ и размерности по сравнению с паспортным параметром;

3. 3. полученная система из двух уравнений решается относительно искомой величины.

Эта же методика может быть использована и при пересчете интегральных параметров в спектральные, т.е. при определении чувствительности ПИ к монохроматическому излучению.

Пусть, например, требуется определить чувствительность ПИ, откалиброванного по излучению известного спектрального состава F_l, для какой-либо длины волны l (для монохроматического излучения) в абсолютных единицах s_lабс=s _lабс (l), если известны кривая спектральной чувствительности приемника s_l, построенная в относительных единицах, и значение абсолютной чувствительности s_S=s_инт, измеренное в диапазоне l_m...l_n, включающем l.

Поскольку абсолютную чувствительность для диапазона l_m...l_n можно выразить как

то максимальная монохроматическая абсолютная чувствительность

 (6.7)

Так как s_l=s_lабс /s_lmax,то после подстановки в (6.7) s_lmaxискомая абсолютная спектральная чувствительность на длине волны l определится как

 (6.8)

Чувствительность s_S для всего диапазона длин волн, в котором работает ПИ, приводится обычно в его паспорте (интегральная, вольтовая или токовая чувствительность).

По аналогии для световых величин

 (6.9)

Здесь s_lабс выражена в амперах на ватт (А×Вт^-1) или вольтах на ватт (В×Вт^-1); s_S — в амперах на люмен (А×лм^-1) или вольтах на люмен (В×лм^-1).

Величина s_lабс зависит не от вида источника (черное тело, лазер и т.д.), относительно которого она определяется, а лишь от квантового выхода на данной длине волны.

Приведем некоторые удобные для практических расчетов формулы.

Порог чувствительности в ваттах для монохроматического излучения с длиной волны l_i определяется как

 (6.10)

а для монохроматического светового потока в люменах

 (6.11)

Для перехода к квантовой форме представления порогового потока F_Пli необходимо разделить (6.10) на энергию кванта, т.е.

 (6.12)

Для вычисления интегралов во всех приведенных выше выражениях можно воспользоваться любым из известных способов графического интегрирования. Аналитический способ чаще всего неприемлем, так как зависимость s_l трудно описать какой-либо функцией, а, кроме того, интегрирование функции F_l также представляется громоздкой операцией. Можно значительно облегчить расчет, если заменить интегралы суммами, например, для (6.8):

 (6.13)

Если в рассматриваемом спектральном диапазоне спектральный коэффициент пропускания оптических сред — величина непостоянная, то в формулы (6.7) — (6.13) следует ввести функции t_l, как в (6.3).