UAV fotoelektrilise muundamise mooduli tehnoloogia analüüs

I. Peamised tehnilised punktid Fotoelektriline muundusmoodul ei ole lihtsalt üks andur, vaid kompleksne alamsüsteem, mis ühendab optikat, elektroonikat, mehaanikat ja algoritme. Selle peamised tehnilised punktid hõlmavad järgmist:

1. Kõrge tundlikkus ja madal müratase

Põhieesmärk: selgete piltide saamine isegi vähese{0}}valgusega (nt öösel või suitsuses keskkonnas).

Rakendusmeetodid: suure jõudlusega detektormaterjalide (nagu silikoon-põhine CMOS/CCD nähtava valguse jaoks ning indiumantimoniid ja elavhõbekaadmiumtelluriid keskmise- kuni -pika-infrapunalaine jaoks) kasutamine suure -jõudlusega detektorimaterjalide, pikslistruktuuri ja voolunäidiku optimeerimisega. Jahutusega infrapunadetektorid võivad oluliselt vähendada termilist müra ja parandada tundlikkust.

2. Kõrge eraldusvõime ja lai dünaamiline ulatus

Kõrge eraldusvõime: mida rohkem piksleid, seda suurem on ruumiline eraldusvõime, võimaldades detailide visualiseerimist suurematel vahemaadel. Kuid see peab olema tasakaalustatud piksli suuruse, optilise süsteemi ja andmeside ribalaiusega.

Lai dünaamiline ulatus: viitab anduri võimele üheaegselt jäädvustada eredamaid ja tumedamaid detaile. See on droonide stsenaariumide puhul ülioluline (nt pimedast metsast heledasse taevasse vaatamine). See saavutatakse selliste tehnikate abil nagu kahe-võimenduse väljund, logaritmilised vastusepikslid või mitme särituse süntees.

3. Multispektraalne/mitmeribaline liitevõime

Olulisus: ühe{0}}riba teave on piiratud; mitme sagedusala teabe liitmine{1}} suurendab oluliselt olukorrateadlikkust.

Rakendusmeetodid:

Optiline poolitamine: Nähtava valguse kaamera, infrapuna-termokaamera ja laserkaugusmõõtur on eraldi paigaldatud korpusesse. Koaksiaalne optomehaaniline disain tagab järjekindlad sihtimisjooned koos video liitmisega (nt pilt-pildis-, pseudo-värvide liitmine) taustal.

Ajajaotus: ühte sensorit koos lülitatava filtrirattaga kasutatakse kordamööda erinevate ribade kujutiste saamiseks.

Monoliitne integreerimine: näiteks RGB{0}}IR-andur (integreerib nähtava valguse ja infrapuna lähedal{1}}valgustundlikud üksused samasse pikslite massiivi).

4. Kiire reageerimine ja suur kaadrisagedus

UAV-de kiire{0}}liikumine ja kiire sihtmärgiga manööverdamine nõuavad suure kaadrisagedusega (nt üle 60 kaadri sekundis) ja äärmiselt lühikeste säri-/lugemisaegadega andureid, et vältida kujutise kummitusi ja saavutada stabiilne jälgimine.

5. Miniaturiseerimine, kerge disain ja madal energiatarve

UAV-platvormide ranged piirangud nõuavad võimsate funktsioonide integreerimist äärmiselt väikesesse suurusse ja kaalu. See tagab andurikiipide, optiliste läätsede ja töötlemisahelate suure integreerituse ja kompaktse disaini.

Energiatarbimise juhtimine: mõjutab otseselt drooni lennuaega.

6. Keskkonnaga kohanemine ja töökindlus

Vastupidavus: talub vibratsiooni drooni õhkutõusmisel ja maandumisel ning õhuvoolu mõjusid lennu ajal.

Kolm-kindel: niiskus---, tolmu--- ja korrosioonikindel-.

Lai temperatuurivahemik: suudab stabiilselt töötada äärmuslikel temperatuuridel vahemikus -40 kraadi kuni +70 kraadi, eriti oluline infrapunadetektorite jaoks, mis on temperatuuri suhtes väga tundlikud.

7. Intelligentne eeltöötlus ja kiibi{1}}töötlus

Kaasaegsed andurid integreeruvad üha enam -kiibi Interneti-teenuse pakkujatesse, väljastades pärast surnud pikslite korrigeerimist, ebaühtluse korrigeerimist, müra vähendamist ja täiustamist- otse kvaliteetset-kujutist, mis vähendab taustapõhiprotsessori koormust.

Infrapunaandurite puhul on ebaühtluse korrigeerimine pidev põhitehnoloogia, mida kasutatakse pikslite vastuse erinevustest põhjustatud fikseeritud mustriga müra kõrvaldamiseks.

II. Peamiste teisendusmeetodite analüüs
Fotoelektriline muundamine toimub peamiselt detektori tasemel. Tuvastatud valguse laineriba ja füüsikaliste põhimõtete põhjal jagunevad meetodid peamiselt järgmistesse kategooriatesse:

1. meetod: fotoelektriline tuvastamine ja muundamine (footon → elektron)

See on põhikonversioon, mis kasutab fotoelektrilist efekti.

1. Nähtav/lähi-infrapunariba

CCD
Põhimõte: Footonid kiiritavad pooljuhti laengu tekitamiseks. Laeng kantakse pikslite vahel järjestikku üle ühisesse väljundsõlme võimendamiseks ja teisendamiseks.

Omadused: madal müratase, suur dünaamiline ulatus, hea pildi ühtlus, kuid suur energiatarve, piiratud kaadrisagedus ja varikujutised.

Kasutusalad: kasutatakse endiselt professionaalsetes aerofotograafia seadmetes, kus pildikvaliteedi nõuded on äärmiselt kõrged ja kiirusnõuded ei ole kõrged.

Põhimõte: iga piksel integreerib võimendus- ja teisenduslülitused, muundades laengu saidil{0}}pingeks ja lugedes selle välja.

Omadused: väike energiatarve, suur kiirus (suur kaadrisagedus), kõrge integreeritus (saab integreerida ISP-d), -toimuvastane, kuid traditsiooniliselt on selle puuduseks veidi suurem müra ja pisut kehvem ühtlus. Kaasaegsed taga-valgustatud ja virnastatud CMOS-tehnoloogiad on neid puudusi oluliselt parandanud.

Rakendused: praegu absoluutne mainstream, mida kasutatakse laialdaselt kõigis UAV-i elektro{0}}optilistes taskutes alates tavatarbijatest kuni sõjalisteni.

2. Kesk-kuni-pika laine infrapunariba

Jahutamata infrapunadetektorid

Põhimõte: Tavaliselt kasutatakse mikrobolomeetrit. Infrapunakiirgus põhjustab detektori materjalis temperatuurimuutuse, mis viib takistuse muutumiseni. Infrapunakiirgust tajutakse selle takistuse muutuse mõõtmisega. Põhimõtteliselt on see "termilisest-elektrienergiast{4}}muundamine".

Omadused: Madalam hind, väiksem suurus, väiksem energiatarve, jahutit pole vaja, kuid tundlikkus ja reageerimiskiirus on üldiselt madalamad kui jahutatud tüüpidel.

Rakendused: tavapärane valik -tarbijaklassi, tööstusliku-klassi ja kõige taktikalisematele UAV-moodulitele.

Jahutusega infrapunadetektorid

Põhimõte: footon{0}}tüüpi detektor (nagu indiumantimoniid või elavhõbekaadmiumtelluriid) kapseldatakse Dewari vaakumkolbi ja jahutatakse Stirlingi külmiku abil vedela lämmastiku temperatuurini (nt 77 K). Sellel madalal temperatuuril on materjali sees olevad laengukandjad "külmunud" ja langevad infrapunafootonid võivad neid kandjaid tõhusalt ergutada, tekitades elektrisignaali. Põhimõtteliselt on see otsene "fotoni-elektri{7}}konversioon".

Omadused: ülikõrge tundlikkus, pikk tuvastusulatus, rikkalikud pildidetailid ja kiire reageerimine; see on aga kulukas, mahukas, raske,{0}}energiat tarbiv ja nõuab käivitamiseks jahtumisaega. Rakendused: tipptasemel-sõjaväe UAV-d, pikamaa-luure-/sihtimispuldid, mida kasutatakse kaugete sihtmärkide tuvastamiseks ja tuvastamiseks äärmiselt karmides tingimustes.

Teine meetod: optomehaaniline muundamine (osutamine ja stabiliseerimine)

Ehkki see ei teosta otseselt fotoelektrilist muundust, on see mooduli funktsionaalsuse jaoks ülioluline ja töötab tihedalt koos fotoelektrilise muundamise mooduliga.

Põhimõte: güroskoop{0}}stabiliseeritud platvorm isoleerib UAV hoiakumuutused ja vibratsiooni. Servomootor sunnib reflektorit või kogu anduriplatvormi liikuma vastupidises suunas, tagades, et optiline telg jääb stabiilselt sihtmärgi poole suunatud.

Seos fotoelektrilise muundamisega: stabiilne optiline telg tähendab, et sihtkujutis jääb anduri kujutise tasapinnale suhteliselt fikseerituks, mis on pikaajalise -selge kujutise, elektroonilise pildistabilisaatori ja automaatse jälgimise saavutamiseks ülioluline. Ilma täpse stabiliseerimiseta ei suuda isegi parim sensor kasutatavat pilti väljastada.

3. meetod: Spektri teisendamine ja suurendamine

1. Pildivõimendi toru

Põhimõte: nõrgad nähtavad/lähedal{0}}ultraviolettfotonid muudetakse fotokatoodi kaudu elektronideks. Need elektronid paljunevad mikrokanali plaadil ja seejärel pommitavad fluorestsentsekraani, muundudes tagasi nähtavaks valguseks, suurendades seeläbi heledust.

Rakendus: traditsioonilised hämaras{0}}öise nägemise seadmed. Kaasaegsetes digitaalsetes taskutes on see asendatud kõrge-tundlikkusega CMOS-iga, kuid sellel on siiski erirakendused.

2. Konversioonimaterjalid üles-/alla-

Põhimõte: spetsiaalsete fluorestsentsmaterjalide abil muudetakse nähtamatu infrapunavalgus nähtavaks valguseks (üles-muundamine) või ultraviolettvalgus nähtavaks valguseks (alla-muundamine).

Kasutamine: kasutatakse peamiselt spetsiaalseks luureks või teaduslikuks uurimiseks; ei ole tavapärane pod-konfiguratsioon.