Инфракрасные средства обнаружения

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ
Физические основы ИК-излучения.
Излучатели и приемники ИК-излучения.
Принципы построения активных и пассивных средств обнаружения.

Учебный вопрос №1
Физические основы ИК-излучения.

В спектре электромагнитных колебаний ИК -излучение занимает диапазон, характеризуемый длинами волн λ= 0.75 ... 750 мкм
ближний λ = 0,75...1,5мкм (коротковолновый - ближнее излучение);
средний λ= 1,5...20мкм (средневолновый);
дальний λ = 20...1000мкм (длинноволновый).

ИК - излучения характеризуют следующими основными величинами:
энергией излучения (лучистой энергией) W (Дж);
потоком излучения (лучистым потоком) Ф= W/t (Вт) - это энергия, переносима в единицу времени;
энергетической силой света (силой излучения) I= Ф/ω (Вт/ср) - это отношение лучистого потока, излучаемого внутри телесного угла W, к величине этого угла. Если источник точечный то I= Ф/ 4π (Вт/ср);
плотностью излучения R= Ф/S (Вт/cм2) - это лучистый поток с единицы излучающей поверхности, сосредоточенной внутри телесного угла 2π, излучаемый во всех направлениях;
энергетической освещенностью (облученностью) Е = Ф/S (Вт/см2)- отношение лучистого потока к площади облучаемой поверхности, по которой он равномерно распределен;
энергетической яркостью (лучистостью) В=I/S cos α(Вт/ср см2) - это сила излучения с единицы излучаемой поверхности.

Зависимость между облученностью и силой излучения
Е = (Ф/ ω
) cosα

Прохождение ИК - излучения через атмосферу.
Условия прохождения лучистого потока в атмосфере оценивают коэффициентом прозрачности данного слоя атмосферы.
Коэффициент прозрачности τ - отношение лучистого потока Ф, прошедшего через атмосферный слой определенной толщины, к начальному значению входящего потока Ф0
τ=Ф/Ф0.

Окна прозрачности
Явление обусловлено в основном воздействием молекулярного поглощения атмосферы.
Поглощение ИК - излучения на многих участках спектра практически полное. Поэтому говорят о прохождении ИК - излучения в атмосфере только в некоторых окнах прозрачности. "Окнам" соответствуют интервалы длин волн ИК - излучения:
λ = 0,95 - 1,05мкм;
λ = 1,15 - 1,35мкм;
λ = 1,5 - 1,8мкм;
λ = 2,1 - 2,4мкм;
λ = 3,3 - 4,2мкм;
= 4,5 - 5,1мкм;
λ = 8 - 13мкм.

Характер и интенсивность рассеяния зависят от соотношения между радиусом рассеивающих частиц r и длиной волны λ падающего излучения:
- в области λ= r рассеяние максимально;
- в области λ
- в области λ>r рассеяние уменьшается.

Прохождение ИК - излучения через атмосферу
в коротко и средневолновой областях могут быть использованы только те участки спектра, где отсутствует избирательное поглощение, т.е. в окнах прозрачности;
при прозрачной атмосфере, дымке и слабом тумане (видимость более 1 км.), коротковолновые (ближние) ИК - излучение проходит значительно лучше видимого;
при дожде, снеге, граде и т.п. (r > 60 мкм) ИК - излучение не имеет преимущества перед видимым излучением;
в прозрачной атмосфере основную роль в поглощении ИК - лучей играют водяные пары, СО2 и азот. Несколько слабее закись азота N2 O, метан СН4 , озон и другие газы.

Учебный вопрос №2
ИЗЛУЧАТЕЛИ И ПРИЕМНИКИ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ

Тепловые источники –
лампы накаливания.
Недостатки
тепловая инерционность, которая мешает осуществлять внутреннюю модуляцию ИК - излучения;
- очень низкий КПД, < 3%

квантовые некогерентные источники -
светодиоды.
КПД почти на порядок выше (> 10 %);
излучение монохроматическое и зависит только от физических свойств вещества;
малая инерционность позволяет модулировать поток и получать импульсы 10 мс.

Квантовые когерентные источники –
ЛАЗЕРЫ
высокая направленность
большая плотность энергии.
Когерентное, или связанное, излучение представляет собой электромагнитные волны одинаковой частоты, колебания в которых отличаются постоянной разностью фаз, не изменяющейся со временем.

Светодиод - полупроводниковый прибор, излучающий кванты света под действием приложенного к нему напряжения.
Структура светодиода с р-п переходом.
Движение носителей зарядов в монокристалле с "p-n"-переходом.

Энергетическая диаграмма процессов, происходящих в арсенид-галлиевом полупроводнике.
Е=hν - квант энергии,
Выделение фотонов света вызывает интенсивное свечение р-n перехода в инфракрасной области спектра.

энергия потока излучения преобразуется в тепловую
фотоны лучистого потока непосредственно воздействуют на энергетическое состояние атомов приемника.

Тепловые приемники
приемники, создающие термоэлектродвижущую силу (термо-ЭДС) при нагревании их падающим ИК-излучением (термоэлементы).
приемники, реагирующие на изменение температуры приемной площадки и преобразующие тепловое излучение в электрический сигнал (болометры и пироэлектрические приемники)

Термоэлемент (термопара)
Принцип их действия основан на явлении термоэлектрического эффекта. Этот эффект состоит в том, что при нагреве двух разнородных спаянных между собой проводников возникает термо-ЭДС, вызывающая в цепи электрический ток.
Термо-ЭДС возникает вследствие разности температур между двумя спаями.

Болометры
Болометром называется приемник лучистой энергии, действие которого основано на изменении электропроводности чувствительного элемента при нагревании его вследствие поглощения излучения.

Пироэлектрические приемники
Действие пироэлектрических приёмников основано на способности сегнетоэлектрических материалов создавать электрические заряды на своей поверхности при механических деформациях.
Под действием падающего потока ИК - излучений возникает неравномерный нагрев конденсатора с сегнетоэлектриком, что приводит к деформации последнего и к появлению зарядов на обкладках конденсатора.

Фотоэлектрический эффект - явление возбуждения электронов под воздействием энергии излучения
Если фотоэлектроны при облучении остаются в веществе, участвуя в образовании тока проводимости, то фотоэффект называется внутренним, или эффектом фотопроводимости.
Если же фотоэлектроны не только возбуждаются, но и покидают вещество, то возникает внешний фотоэффект. Внешний фотоэффект сопровождается фотоэлектронной эмиссией.

ПРИЕМНИКИ С ВНУТРЕННИМ ФОТОЭФФЕКТОМ
Фоторезисторы — это полупроводниковые приемники энергии излучения, изменяющие свою проводимость (сопротивление) при воздействии потока излучения.

ПРИЕМНИКИ С ВНУТРЕННИМ ФОТОЭФФЕКТОМ
Фотодиод (ФД) — это полупроводниковый прибор (диод), обладающий свойством односторонней проводимости при воздействии энергии излучения.

ПРИЕМНИКИ С ВНУТРЕННИМ ФОТОЭФФЕКТОМ
Фототранзистор (ФТ) представляет собой полупроводниковый приемник, состоящий из трех чередующихся областей проводимости р и п: р—п—р или n—р—п. Как и в полупроводниковом транзисторе, фототранзистор имеет коллектор, эмиттер и базу. База обычно служит приемной площадкой излучения. Работает фототранзистор по принципу обычного полупроводникового транзистора, в котором роль управляющего тока выполняет ток, вызываемый попадающим на базу излучением, т.е. фототранзистор практически осуществляет внутреннее усиление фототока.

ПРИЕМНИКИ С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ
Электронно-оптические преобразователи (ЭОП), применяемые в пассивных ИК - приборах наблюдения, представляют собой вакуумные фотоэлектронные приборы для преобразования невидимого глазом изображения объекта в инфракрасных лучах в видимое и для усиления яркости этого изображения.

Схема микроканального ЭОП типа ЭП-10.
1-катодный узел; 2-анод; 3-фокусирующая система;
4-корпус металлизированное стекло);
5-блок микроканальной пластины (МКП);
6-экранный узел.

Учебный вопрос №3
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АКТИВНЫХ И ПАССИВНЫХ ИНФРАКРАСНЫХ СРЕДСТВ ОБНАРУЖЕНИЯ

ИК - средства обнаружения
Предназначены для поиска теплоизлучающих объектов, наблюдения за ними, а также для обнаружения какого-либо объекта по некоторым признакам.
Приборы этой категории преобразуют информацию, содержащуюся в лучистом потоке, излучаемом объектом, в информацию, считываемую оператором с экрана прибора наблюдения.

ИК - средства для охраны подразделяют на активные и пассивные.
Активные средства предпочтительнее для применения на открытом воздухе. Их принцип действия основан на облучении объекта обнаружения направленным лучом ИК - излучения и контроле изменения его интенсивности в результате воздействия нарушителя.
Пассивные ИК - средства в основном применяются для охраны режимных помещений, зданий и сооружений закрытого типа. Их работа основана на контроле тепловых излучений тела человека на фоне ИК - излучений окружающей среды закрытого помещения, здания.

Тепловизоры - устройства, предназначенные для наблюдения нагретых объектов по их собственному тепловому излучению даже в условиях полной темноты. Они преобразуют невидимое глазом человека ИК - излучение в электрические сигналы которые после усиления и обработки вновь преобразуются в видимое изображение объектов. С помощью этих приборов наблюдатель имеет возможность в темное время суток "видеть" на достаточно большом удалении (до 2 км.) живую силу и технику противника.

Структура фотолучевого (активного) ИК - датчика обнаружения

Схема оптического устройства пассивного ИК - датчика обнаружения "КРУШИНА".