Шумовые механизмы в тепловых детекторах

Чтобы определить мощность эквивалентную шуму и обнаружительную способность (D ^*) приемника, необходимо установить механизмы шума. Для любого приемника имеется несколько источников шума, которые и определяют предельные ограничения чувствительности.

Для тепловых приемников шумы имеют не только тепловую природу из-за флуктуации температуры, но и электрическую, т.к. детекторы представляют собой элементы электрической схемы регистрации.

1. Одним из основных шумов является шум Джонсона. Этот шум в полосе частот D f для резистора, имеющего сопротивление R равен:

, (3.16)

где k – постоянная Больцмана. Этот тип шума является белым шумом.

Двумя другими основными источниками шумов, важными для оценки предельной чувствительности приемника являются шумы тепловых флуктуаций и флуктуации фонового излучения.

2. Шум тепловых флуктуаций является результатом температурных флуктуаций в детекторе. Эти флуктуации вызываются изменениями тепловой проводимости между детектором и прилегающей подложкой, с которой чувствительный элемент приемника находится в тепловом контакте.

Дисперсию температуры («температурный» шум) можно записать:

, (3.17)

Эта формула также получена ранее из общих положений термодинамики.

Здесь k – постоянная Больцмана, а D f – полоса частот. Спектральное шумовое напряжение, обусловленное флуктуациями температуры, запишется в виде:

. (3.18)

3. Третий источник шумов – фоновый шум, вызываемый радиационным теплообменом между приемником, имеющим температуру T_d, и окружающей средой при температуре T_b, которая при этом наблюдается. Он определяет фундаментальный предел чувствительности приемника и для угла поля зрения 2p (FOV) определяется выражением:

, (3.19)

где s – постоянная Стефана-Больцмана.

4. Кроме основных шумов, упомянутых выше, дополнительным источником шума является 1/ f шум, который часто обнаруживается в тепловых приемниках и может влиять на их характеристики. Этот шум можно описать эмпирической формулой

, (3.20)

где k _{1/ f} – коэффициент пропорциональности, d и b - коэффициенты, имеющие значения порядка единицы. Закон изменения мощности 1/ f шума трудно получить аналитически, потому что параметры k _{1/ f} , d и b сильно зависят от технологии создания приемника, включающей изготовление материала, изготовление контактов и подготовку поверхностей.

5. Квадрат полного шумового напряжения определяется в виде:

. (3.21)

Дата добавления: 2015-07-10