Анализа технологије модула фотоелектричне конверзије УАВ

И. Кључне техничке тачке Модул фотоелектричне конверзије није само један сензор, већ сложен подсистем који интегрише оптику, електронику, механику и алгоритме. Његове кључне техничке тачке укључују:

1. Висока осетљивост и ниска бука

Основни циљ: Стицање јасних слика чак и у условима слабог-осветљења (као што је ноћу или у задимљеном окружењу).

Методе имплементације: Коришћење детекторских материјала високих{0}}детектора (као што су ЦМОС/ЦЦД засновани на силицијуму{1}}за видљиво светло, и индијум антимонид и жива кадмијум телурид за средње{2}}до-дуге-таласе инфрацрвене структуре, смањење инфрацрвених пиксела и смањење струје за читање и оптимизација струјног кола за читање. Хлађени инфрацрвени детектори могу значајно смањити термални шум и побољшати осетљивост.

2. Висока резолуција и широки динамички опсег

Висока резолуција: Што је више пиксела, већа је просторна резолуција, омогућавајући визуелизацију детаља на већим удаљеностима. Међутим, ово мора бити избалансирано са величином пиксела, оптичким системом и пропусним опсегом података.

Широки динамички опсег: Односи се на способност сензора да истовремено ухвати најсветлије и најтамније детаље. Ово је кључно за сценарије дронова (као што је гледање из тамне шуме у светло небо). Постиже се техникама као што су двоструко-излазно појачање, пиксели логаритамског одзива или синтеза вишеструке експозиције.

3. Могућност мултиспектралне/вишепојасне фузије

Значај: информације о једном{0}}опсегу су ограничене; спајање више-информација у великој мери побољшава свест о ситуацији.

Методе имплементације:

Оптичко раздвајање: Камера са видљивим светлом, инфрацрвени термовизир и ласерски даљиномер су независно инсталирани унутар капсуле. Коаксијални оптомеханички дизајн обезбеђује доследне линије циљања, са видео фузијом (нпр. слика-у-сликом, псеудо{5}}фузијом боја) која се изводи на позадини.

Временска подела: Један сензор са променљивим филтером се користи за добијање слика различитих опсега.

Монолитна интеграција: као што је РГБ-ИР сензор (интегрише видљиву светлост и скоро{1}}инфрацрвене фотоосетљиве јединице на истом низу пиксела).

4. Брз одзив и висока брзина кадрова

Велика{0}}брзина кретања беспилотних летелица и брзо маневрисање циља захтевају сензоре са великом брзином кадрова (нпр. изнад 60 кадрова у секунди) и екстремно кратким временом експозиције/очитавања да би се избегло дуплирање слике и постигло стабилно праћење.

5. Минијатуризација, лагани дизајн и ниска потрошња енергије

Строга ограничења УАВ платформи захтевају интеграцију моћне функционалности унутар изузетно мале величине и тежине. Ово покреће високу интеграцију и компактан дизајн сензорских чипова, оптичких сочива и кола за обраду.

Контрола потрошње енергије: Директно утиче на време лета дрона.

6. Прилагодљивост и поузданост животне средине

Отпорност: Може да издржи вибрације током полетања и слетања дрона, као и ударе протока ваздуха током лета.

Тро-отпоран: отпоран-од ​​влаге,{2}}отпоран{2}}отпоран на корозију-отпоран.

Широк температурни опсег: Може да ради стабилно на екстремним температурама у распону од -40 степени до +70 степени, посебно важно за инфрацрвене детекторе који су веома осетљиви на температуру.

7. Интелигентна претходна обрада и укључена{1}} обрада на чипу

Модерни сензори се све више интегришу на-провајдерима чипова, директно емитујући слике високог{1}}квалитета након корекције мртвих пиксела, корекције не-уједначености, смањења шума и побољшања, смањујући оптерећење главног процесора у позадини.

За инфрацрвене сензоре, корекција не-уједначености је стална кључна технологија која се користи за елиминисање шума фиксног узорка узрокованог разликама у одзиву пиксела.

ИИ. Анализа главних метода конверзије
Фотоелектрична конверзија се углавном дешава на нивоу детектора. На основу откривеног светлосног таласног опсега и физичких принципа, методе се углавном деле у следеће категорије:

1. метод: фотоелектрична детекција и конверзија (фотон → електрон)

Ово је главна конверзија, која користи фотоелектрични ефекат.

1. Видљиви/блиски-инфрацрвени опсег

ЦЦД
Принцип: Фотони зраче полупроводник да генеришу наелектрисање. Набој се секвенцијално преноси између пиксела до заједничког излазног чвора ради појачања и конверзије.

Карактеристике: Низак шум, велики динамички опсег, добра униформност слике, али велика потрошња енергије, ограничена брзина кадрова и духови.

Примене: Још увек се користи у професионалним апаратима за снимање из ваздуха где су захтеви за квалитет слике изузетно високи, а захтеви за брзину нису високи.

Принцип: Сваки пиксел интегрише кола за појачавање и конверзију, претварајући пуњење у напон на-локацији и очитавајући га.

Карактеристике: Мала потрошња енергије, велика брзина (велика брзина кадрова), висока интеграција (може да интегрише ИСП), анти-духовање, али традиционално има недостатке нешто веће буке и нешто лошије униформности. Модерне ЦМОС технологије са-осветљеним и наслаганим ЦМОС-ом су у великој мери побољшале ове недостатке.

Примене: Тренутно апсолутна мејнстрим, широко коришћена у свим УАВ електро-оптичким модулима, од потрошачких до војних класа.

2. Инфрацрвени опсег средњег{1}}до-дуга таласа

Нехлађени инфрацрвени детектори

Принцип: Обично се користи микроболометар. Инфрацрвено зрачење изазива промену температуре у материјалу детектора, што доводи до промене отпора. Инфрацрвено зрачење се детектује мерењем ове промене отпора. У суштини, то је „термална-у-електрична“ конверзија.

Карактеристике: Нижа цена, мања величина, мања потрошња енергије, нема потребе за хладњаком, али су осетљивост и брзина одзива генерално ниже од хлађених типова.

Примене: Уобичајени избор за потрошачке-, индустријске-разреде и већину тактичких УАВ модула.

Хлађени инфрацрвени детектори

Принцип: Детектор фотонског-типа (као што је индијум антимонид или жива кадмијум телурид) је капсулиран у вакум Дјуеровој тиквици и охлађен на температуру течног азота (нпр. 77К) коришћењем Стирлинговог фрижидера. На овој ниској температури, носиоци набоја унутар материјала су "замрзнути", а инфрацрвени фотони могу ефикасно побуђивати ове носаче, генеришући електрични сигнал. У суштини, то је директна конверзија „фотон-у-електричну“.

Карактеристике: Изузетно висока осетљивост, дуг домет детекције, богати детаљи слике и брз одзив; међутим, то је скупо, гломазно, тешко, троши{0}}енерго, и захтева време хлађења да би се покренуло. Примене: Врхунске војне беспилотне летелице-,-извиђачке/циљане јединице дугог домета, које се користе за откривање и идентификацију удаљених циљева у изузетно тешким условима.

Други метод: Оптомеханичка конверзија (показивање и стабилизација)

Иако не врши директно фотоелектричну конверзију, ово је кључно за функционалност капсуле и блиско сарађује са модулом за фотоелектричну конверзију.

Принцип: Жиро{0}}стабилизована платформа изолује промене става и вибрације УАВ-а. Серво мотор покреће рефлектор или целу платформу сензора да се креће у супротном смеру, обезбеђујући да оптичка оса остане стабилно усмерена ка мети.

Повезаност са фотоелектричном конверзијом: Стабилна оптичка оса значи да циљна слика остаје релативно фиксирана на равни слике сензора, што је од суштинског значаја за постизање дугорочно-јасних слика, електронске стабилизације слике и аутоматског праћења. Без прецизне стабилизације, чак ни најбољи сензор не може да прикаже употребљиву слику.

Метод 3: Спектрална конверзија и побољшање

1. Цев за појачавање слике

Принцип: Слаби видљиви/блиски-ултраљубичасти фотони се претварају у електроне преко фотокатоде. Ови електрони се умножавају у микроканалној плочи, а затим бомбардују флуоресцентни екран, претварајући се назад у видљиву светлост, повећавајући тако осветљеност.

Примена: Традиционални{0}}уређаји за ноћно гледање са слабим осветљењем. У модерним дигиталним подовима замењен је ЦМОС-ом високе{2}}осетљивости, али и даље има посебне апликације.

2. Материјали за-конверзије/доле-конверзије

Принцип: Користећи посебне флуоресцентне материјале, невидљива инфрацрвена светлост се претвара у видљиву светлост (пре-конверзија), или ултраљубичаста светлост се претвара у видљиву светлост (доле-конверзија).

Примена: Првенствено се користи за специјална извиђања или научна истраживања; није главна конфигурација под.