Флуктуационная чувствительность и стабильность приемников с СИС и НЕВ смесителями для терагерцового тепловидения

Ожегов, Роман Викторович

Флуктуационная чувствительность и стабильность приемников с СИС и НЕВ смесителями для терагерцового тепловидения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Ожегов, Роман Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2011 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.03 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Флуктуационная чувствительность и стабильность приемников с СИС и НЕВ смесителями для терагерцового тепловидения»

Автореферат диссертации на тему "Флуктуационная чувствительность и стабильность приемников с СИС и НЕВ смесителями для терагерцового тепловидения"

005004617

ОЖЕГОВ Роман Викторович

Флуктуационная чувствительность и стабильность приемников с СИС и НЕВ смесителями для терагерцового тепловидения

01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

_ 1 ДЕК 2011

Москва - 2011

005004617

Работа выполнена на кафедре общей и экспериментальной физики факультета физики и информационных технологий Московского педагогического государственного университета.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор,

Гольцман Григорий Наумович доктор физико-математических наук, профессор, Пирогов Юрий Андреевич кандидат физико-математических наук, Соболев Александр Сергеевич Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Защита состоится «19»декабря 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.154.22 при Московском педагогическом государственном университете, расположенном по адресу: 119435, Москва, ул. М. Пироговская, д. 29, ауд. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу: 119435, Москва, ул. М. Пироговская, д. 1.

Автореферат разослан «_»_2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Васильева И. А.

Общая характеристика работы

Современные приемники терагерцового (ТГц) диапазона частот предельной чувствительности разрабатывались в основном для астрономических применений в рамках крупных международныз проектов. Результатом проведенных исследований стали такие проекты как TELIS - телескоп баллонного базирования, HERSHEL - телескоп спутникового базирования, Sophia - телескоп самолетного базирования, Миллиметрон - отечественный амбициозный проект, направленный на создание уникального радиотелескопа, использующего наиболее чувствительные болометрические и гетеродинные приемники гигагерцового, терагерцового, среднего ИК диапазонов, и интерферометра со сверхбольшой базой, основанного на этом радиотелескопе. В настоящее время приемники и источники ТГц диапазона частот достигли уровня высокого качества и достаточно низкой себестоимости производства, что делает их более доступными для широкого круга задач.

Одной из важнейших задач является задача построения радиоизображений в ТГц диапазоне частот. Системы построения радиоизображений могут применяться во многих областях от медицины и систем безопасности до навигации в условиях плохой видимости. Сложность работы в ТГц диапазоне частот связана с так называемой "терагерцовой ямой" (THz gap) [1]: мощность источников излучения падает при приближении к терагерцовому диапазону частот как со стороны радиочастот так и со стороны ИК диапазона.

С точки зрения приемников этот диапазон также имеет свои особенности. Полупроводниковые приемники, прекрасно работающие как в радио-, так и в ИК диапазонах оказываются не столь качественными для использования их в терагерцовом диапазоне. Наиболее чувствительными приемниками терагерцового излучения, являются сверхпроводящие приемники [1].

Несмотря на то, что системы построения изображений радиодиапазона, терагерцового диапазона частот и ИК диапазона используют в своей работе общие принципы, системы терагерцового диапазона частот обладают специфическими преимуществами по сравнению со своими аналогами. Так, большинство материалов, используемых в повседневной жизни, являются непрозрачными для излучения ИК диапазона, в то время как излучение радиодиапазона способно свободно проникать сквозь такие препятствия как одежда, багаж и даже стены зданий. С другой стороны, качество изображения, получаемого системой радиовидения, напрямую связано с длиной волны излучения, используемого в приборе. По этому параметру системы построения изображений радиодиапазона существенно уступают системам ИК диапазо-

на. Терагерцовое излучение, занимая пограничное положение между радио-и ИК диапазонами, обладает высокой проникающей способностью, сохраняя при этом высокое пространственное разрешение, что делает их наиболее привлекательными при проектировании систем радиовидения и, в частности, систем безопасности.

Актуальность исследования. В настоящее время существует большое количество разнообразных систем радиовидения, как СВЧ, так и ИК диапазонов [2]. Они обладают хорошими характеристиками и широко востребованы. Однако, при всем существующем многообразии, они не решают целый ряд задач, которые в принципе могут быть решены с помощью приборов терагерцевого диапазона частот. Среди систем радиовидения терагерцо-вого диапазона наиболее развитыми в настоящее время являются активные системы построения радиоизображений. В этом случае объект наблюдения облучается терагерцовым излучением и принимается отраженный от объекта или прошедший сквозь него сигнал. Все разнообразие активных систем можно разбить на активную систему радиовидения, использующую импульсный источник зондирующего сигнала [3, 4]; активную систему радиовидения, использующую приемник прямого детектирования при непрерывном источнике зондирующего сигнала [5, 6], и супергетеродинную активную систему радиовидения [7].

Однако, в ряде случаев использование активных систем невозможно или затруднено, например, для обеспечения скрытного наблюдения, когда необходимо использовать пассивные системы радиовидения. Пассивные системы радиовидения можно разделить на системы, использующие приемник прямого детектирования [8], и системы, использующие супергетеродинный приемник. Супергетеродинный приемник, несмотря на большую сложность по сравнению с приемником прямого детектирования, обладает рядом существенных преимуществ: во-первых, помимо амплитуды сигнала он позволяет получать информацию и о фазе сигнала, что может быть существенно при анализе изображения; во-вторых, супергетеродинный приемник получает информацию как спектрометр высокого разрешения, что может быть использовано для определения химического состава наблюдаемых объектов, и, в-третьих, фазовая информация позволяет строить трехмерные изображения наблюдаемых объектов [9].

приемника (СИП), объединяющего высокочувствительный СИС смеситель и РРО гетеродин [10]. Обладая выской чувствительностью, он имеет частотный диапазон ограниченный сверху энергетической щелью сверхпроводника. Для работы на более высоких частотах необходимо использовать в качестве смесительного элемента смеситель на горячих электронах (НЕВ смеситель).

В настоящее время не существует аналогов пассивных терагерцевых супергетеродинных тепловизоров. Разработка физических основ работы такого устройства является важной задачей, актуальность которой определяется широкими возможностями применения и востребованностью систем радиовидения терагерцового диапазона в таких важных областях как медицина, интроскопия промышленных конструкций, воздушная и морская навигация в условиях плохой видимости, пожарная охрана, службы экологического мониторинга и системы безопасности. Последнее применение особенно актуально в контексте усиливающейся угрозы миру со стороны мирового терроризма. Актуальность настоящей работы связана с необходимостью детального исследования чувствительных приемников терагерцевого диапазона частот применительно к построению систем радиовидения. Основными интересующими параметрами супергетеродинного приемника с точки зрения использования его в тепловизионном приемнике являются флуктуационная чувствительность и временная стабильность приемника. Ранее для НЕВ смесителя и СИП не проводились исследования флуктуационной чувствительности, в связи с этим разработка методов достижения предельной флуктуационной чувствительности приемников является актуальной задачей. Временная стабильность для таких приемников рассматривалась ранее только как временная стабильность спектрометра. Повышение временной стабильности при работе в широкой полосе ПЧ для супергетеродинного приемника является важной задачей, решение которой необходимо для обеспечения высокой чувствительности приемника за время получения кадра системы построения радиоизображений.

Целью настоящей диссертационной работы является исследование флуктуационной чувствительности и методов достижения предельных значений флуктуационной чувствительности СИС и НЕВ смесителей, причем СИС смеситель рассматривается совместно с сверхпроводящим интегральным приемником. Также работа посвящена исследованию временной стабильности смесителей и разработке методов достижения высокой временной стабильности приемников.

Научная новизна Приемники и источники терагерцового диапазона частот активно развиваются в настоящее время многими научными группами. Наиболее важной характеристикой терагерцовых приемников в теплови-

зионных задачах является флуктуационная чувствительность приемника. С точки зрения достижения предельных флуктуационных чувствительностей сверхпроводящий интегральный приемник и НЕВ смеситель ранее не исследовались. Научная новизна работы заключается в исследовании узлов пассивной супергетеродинной тепловизионной схемы терагерцевого диапазона частот, а также в детальном исследовании флуктуационной чувствительности СИС и НЕВ смесителей, изучении влияния паразитных вкладов и достижении предельных значений флуктуационной чувствительности приемников. Помимо этого, новизна работы связана с использованием цифровых методов обработки сигнала в реальном времени для увеличения временной стабильности супергетеродинных приемников.

Практическая значимость. Результаты работы могут быть применены для создания коммерческих тепловизионных систем терагерцевого диапазона частот. В настоящее время компания ЗАО "Сверхпроводниковые нано-технологии", созданная сотрудниками и аспирантами УНРЦ МПГУ, основываясь на результатах диссертационного исследования, проводит разработку прототипа пассивного терагерцового тепловизора на основе сверхпроводящего интегрального приемника.

В ходе работы были получены следующие научные результаты:

1. Впервые исследована флуктуационная чувствительность терагерцового супергетеродинного приемника на основе НЕВ смесителя;

2. Впервые исследована флуктуационная чувствительность сверхпроводящего интегрального приемника, в котором объединены СИС смеситель и генератор гетеродина РРО.

3. Впервые изучено влияние паразитных вкладов (стабильность источников питания приемника, стабильность гетеродина) в формирование флуктуационной чувствительности супергетеродинного приемника и предложена простая методика достижения предельных значений флуктуационной чувствительности терагерцевых тепловизоров.

4. Разработана и опробована методика увеличения временной стабильности приемника с помощью математической обработки выходного сигнала.

5. С помощью разработанных приемников получены тепловые изображения в терагерцевом диапазоне частот, продемонстрировано влияние пре-

пятствий на качество изображения, а также разработаны требования к возможности получения тепловых изображений за препятствиями.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предельно достижимое значение флуктуационной чувствительности пассивного супергетеродинного приемника на базе сверхпроводящего интегрального приемника, в котором объединены СИС смеситель и гетеродин FFO определяется в основном радиояркостной температурой фона. На частоте 500 ГГц, при полосе тракта ПЧ 4 ГГц, постоянной времени 1 с предельная флуктуационная чувствительность составляет 13 ± 2 мК и 10 ± 1 мК при шумовой температуре приемника 170 К и 90 К соответственно.

2. Флуктуационная чувствительность супергетеродинного приемника на базе HEB смесителя не превышает 0.5 К на частоте 300 ГГц при шумовой температуре 2000 К, полосе тракта ПЧ 200 МГц и постоянной времени 1 с.

3. Использование цифровых способов корректировки сигнала позволяет существенно увеличить временную стабильность приемника без использования сложного измерительного оборудования. В полосе ПЧ 4 ГГц использование корректировки сигнала позволяет увеличить время Алаг на более чем на порядок до значения в 5 с.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации докладывались не следующих международных и всероссийских конференциях: Пятая Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике; 3-я Международная выставка и конференция "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности"; Десятая Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых; The Fifth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves; "Прикладная сверхпроводимость 2010"; SET-159 Specialists Meeting on 'Terahertz and Other Electromagnetic Wave Techniques for Defence and Security"; Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике. Результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах учебно-научного радиофизического центра Московского педагогического государственного университета.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах [А1, А2, АЗ, А4, А5], 4 статьи в сборниках трудов конференций [А6, А7, А8, А9].

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Творческий вклад автора выразился в формулировке заг дач, разработке экспериментальных методик и создании измерительных установок, в проведении экспериментов, планировании и проведении комплексных экспериментов и обработке результатов измерений, в участии в обсуждении и анализе полученных результатов, написании статей и конкурсных проектов. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка публикаций автора и библиографии. Общий объем диссертации 132 страницу, из них 116 страниц текста, включая 46 рисунков и 2 таблицы. Библиография включает 113 наименований на 12 страницах.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследоваг ния, аргументирована научная новизна, показана практическая значимость полученных результатов, описываются основные научные результаты работы и защищаемые положения, а также приводится краткое содержание диссертации.

В первой главе "Принципы построения и работы терагерцовых систем радиовидения" дается обзор возможных применений терагерцевых систем построения радиоизображений, а также рассматриваются основные существующие схемные решения систем радиовидения. Глава состоит из четырех разделов и носит обзорный характер.

В первом разделе рассмотрены основные применения систем радиовидения радио- и ИК диапазонов. Среди наиболее значимых выделены применения систем радиовидения в медицине, службах безопасности для выявления скрытого под одеждой оружия и навигации в условиях плохой видимости.

Во втором разделе рассмотрены примеры построения активных систем радиовидения: активную систему радиовидения, использующую импульсный

источник зондирующего сигнала; активную систему радиовидения, использующую приемник прямого детектирования при непрерывном источнике зондирующего сигнала, и супергетеродинную активную систему радиовидения.

В третьем разделе рассмотрены основные физические принципы построения пассивных систем радиовидения, основанных на приемнике прямого детектирования и супергетеродинном приемнике. Сделан вывод о том, что несмотря на схожую предельную чувствительность приемника прямого детектирования и супергетеродинного приемника последний обладает преимуществом при изучении узких характеристических линий наблюдаемых объектов, а значит существует возможность использования его для определения материала, из которого изготовлен объект наблюдения. Помимо этого супергетеродинный приемник также получает информацию о фазе сигнала, что может быть использовано для получения трехмерного изображения объекта наблюдения [9]. Основным недостатком супергетеродинного приемника при сравнении его с приемником прямого детектирования является его сложность.

Для супергетеродинного приемника в случае большого сигнала флукту-ационная чувствительность определяется в соответствии с формулой [11]:

здесь ДТя ~~ флуктуационная чувствительность супергетеродинного приемника, 7д — шумовая температура приемного устройства, Т$ — радиояркост-ная температура наблюдаемого объекта, В и ~ ширина полосы промежуточных частот, г - постоянная времени фильтра низких частот, а — безразмерный коэффициент порядка единицы, величина которого меняется от 2 до 4 и зависит от выбора схемы приемника. Выражение 1 ] у/Вцт принято называть радиометрическим выигрышем, и обозначать через д.

Наиболее часто в литературе встречается другая формула, являющаяся частным случаем формулы (1) в пределе, когда шумовая температура приемника существенно превышает радиояркостную температуру наблюдаемого объекта.

В четвертом разделе производится выбор объектов исследования. Анализ литературы выявил отсутствие работ по созданию пассивных систем par диовидения субмиллиметрового и терагерцевого диапазона частот, основан-

(1)

(2)

ных на супергетеродинных приемниках. В качестве основной задачи при работе над диссерационным исследованием была поставлена задача разработки отдельных узлов супергетеродинного тепловизора терагерцового диапазона частот, а также исследование их характеристик и разработка методов достижения предельных характеристик приемника.

В качестве объектов исследования были выбраны два приемника, демонстрирующие в настоящее время наилучшие характеристики как супергетеродинные приемники субмиллиметрового и терагерцевого диапазона частот. Речь идет о НЕВ смесителе (от англ. hot electron bolometer mixer - смеситель на эффекте электронного разогрева в сверхпроводящих пленках) и СИП (сверхпроводящий интегральный приемник на базе смесителя на кваг зичастичной нелинейности туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС смеситель) и интегрированного с ним гетеродина FFO (от англ. flux flow oscillator - генератор на вязком течении джозеффсоновских вихрей)).

В качестве основной задачи при работе над диссерационным исследованием была поставлена задача исследования флуктуационной чувствительности разработанных и изготовленных лабораторных макетов супергетеродинных тепловизоров, и достижение предельных значений флуктуационной чувствительности приемников, увеличение временной стабильности макетов и получение тепловых терагерцовых изображений различных объектов.

Во второй главе "Смеситель на эффекте электронного разогрева в тонких сверхпроводящих пленках как чувствительный элемент пассивного супергетеродинного тепловизора терагерцового диапазона частот" изложены результаты исследования лабораторного макета терагерцового тепловизора на базе супергетеродинного приемника с НЕВ смесителем в качестве приемного элемента, а также обсуждаются полученные характеристики лабораторного макета. Глава состоит из пяти разделов. Основные результаты второй главы опубликованы в работах [Al, A3, А4, Аб, А7, А8] .

В первом разделе главы производится описание методик измерения флуктуационной чувствительности приемника, а также описывается лабораторный макет пассивного супергетеродинного тепловизора на базе НЕВ смесителя с использованием лампы обратной волны диапазона 300 ГГц в качестве гетеродина.

Во втором разделе главы приводятся экспериментальные результаты и методы достижения предельных значений флуктуационной чувствительности для лабораторного макета пассивного супергетеродинного тепловизора на базе НЕВ смесителя. Анализ процессов детектирования сигнала позволил

юо гоо до до 380 400 деа

Частота, Гц

Величина »ходного сигнал«, К

Рис. 1. Слева: зависимость флуктуационной чувствительности приемника от частоты модуляции сигнала. Справа: зависимость флуктуационной чувствительности приемника от величины входного сигнала. За величину входного сигнала принимается разность физических температур нагрузки и лопастей обтюратора.

получить простую методику достижения предельной флуктуационной чувствительности.

Основным источником паразитных флуктуаций для данного лабораторного макета являлась нестабильности гетеродина (нестабильность его мощности). Нестабильность мощности гетеродина проникает в выходной сигнал приемника, поскольку коэффициент преобразования приемника является зависимым от падающей мощности гетеродина. Спектр нестабильности мощности гетеродина является непрерывным, однако влияние на выходной сигнал оказывают только два участка спектра: вблизи частоты модуляции сигнала и вблизи нуля частот.

Для устранения первого вклада необходимо увеличить частоту модуляции сигнала, поскольку обычно спектр нестабильностей мощности гетеродина имеет природу фликкер-шума и его плотность спадает с увеличением частоты. Влияние увеличения частоты модуляции сигнала на флуктуационную чувствительность показана на рисунке 1 (слева). Данные приведены для приемника ТЬегшоу1зюп#6 с шумовой температурой 2000 К на частоте гетеродина 300 ГГц, полоса тракта ПЧ составляла 200 МГц.

Оказалось, что нестабильности мощности гетеродина вблизи нуля частот проникают в выходной сигнал пропорционально величине входного сигнала, т.е. пропорционально разности яркостных температур между объектом наблюдения и лопастями обтюратора. Для устранения этого вклада необходимо уменьшить величину входного сигнала. Влияние уменьшения флуктуационной чувствительности приемника при уменьшении величины входного сигна-

1)000 12000 11000 1 ! 1

у 1

7000 1 /1

! . 1 у

/ 1

ч, 1 I

2000' ■ ! 1 —1—

-400 -я»

Смещение от центра, /от

\ ------

........ —■ ---

— т-

—- ........1_____

Смещение от центра линзы, 11т

Рис. 2. Влияние положения смесителя на линзе на его характеристики. Слева - зависимость шумовой температуры от смещения смесителя от центра линзы (погрешность измерения шумовой температуры не превышает 10%). Справа - зависимость отклонения основного лепестка диаграммы направленности смещения смесителя от центра линзы. Не соответствие нуля смещения с нулем отклонения основного лепестка диаграммы связан с точностью выбора системы отсчета. Наибольший интерес представляет наклон апрокси-мационной прямой ( ~ 0.5° на 100 мкм), соответствующий теоретическим предсказаниям.

ла представлено на рисунке 1 (справа).

В третьем разделе главы проводится анализ зависимости влияния положения чипа смесителя на линзе на его шумовые характеристики, а также на его диграмму направленности. Измерения проводились с приемником Т11егпкш8юп#2. Была проведена серия измерений шумовой температуры приемника при различных положениях смесителя относительно центра линзы. Измерения проводились методом У-фактора, при этом на оптическом входе приемника поочередно помещались согласованные нагрузки комнатной и азотной температуры.

Как видно из рисунка 2 (слева) шумовая температура незначительно меняется при смещении смесителя в области диаметром 400 мкм относительно оптимального положения и сильно возрастает за пределами этой области. Несимметричность графика относительно нулевого смещения может быть объяснена постоянной погрешностью, возникающей в процессе установки смесителя на линзу и вызванной несовершенством используемого при установке смесителя оптического микроскопа. Однако, эта ошибка приводила лишь к постоянному смещению смесителя относительно центра линзы, поскольку в процессе установки образца был выбран строгий алгоритм действий.

В этой же серии экспериментов были проведены измерения диаграмм направленности приемника при различных положениях смесителя относительно центра линзы. На рисунке 2 представлены результаты измерений зависимо-

сти отклонения основного лепестка диаграммы направленности от смещения образца на линзе. Отклонение основного лепестка диаграммы направленности приемника подчиняется линейному закону с углом наклона ( ~ 0.5° на 100 мкм), что соответствует теоретическим предсказаниям.

Приведенные эксперименты позволили определить область на линзе, в которой должна находиться матрица чувствительных элементов. Учитывая, что размер спиральной логопериодической антенны НЕВ смесителя, предназначенной для работы в диапазоне частот 0.2-2 ТГц, составляет около 200 мкм, то в этой области можно разместить матрицу размером 2x2. Максимальное отклонение главного лепестка диаграммы направленности для найденной области составило примерно 2.5° при ширине основного лепестка диаграммы направленности ~ 3° по уровню -10 дБ. Таким образом, разместив матрицу из четырех НЕВ смесителей на гиперполусферической линзе, возможно создание матричного приемника, позволяющего на расстоянии 20 м разрешить небольшой объект в области диаметром 15 мм без сканирующей системы.

Для практических целей 4-х пиксельного изображения конечно же недостаточно. Увеличение числа пикселей за счет увеличения диаметра линзы приводит к увеличению потерь в самой линзе, также при этом увеличивается перекрытие диаграмм направленности двух соседних смесителей, что является нежелательным фактором, поскольку количество независимых пикселей матрицы при этом уменьшается. Исходя из результатов, приведенных в данном разделе можно сделать вывод о том, что для создания системы радиовидения терагерцового диапазона частот, основанной на матричном приемнике, необходимо выполнить каждый смесительный элемент на отдельной линзе.

В четвертом разделе главы приводятся некоторые терагерцовые изображения объектов, полученных с помощью разработанного лабораторного макета. В качестве объекта наблюдения использовалась палочка, выполненная из материала, близкого к абсолютно черному телу в терагерцовом диапазоне частот. В качестве фона использовалась нагрузка, выполненная из того же материала с температурой близкой к температуре кипения жидкого азота.

Установка позволяла получать изображения объекта скрытое за различными препятствиями. Для этого температура фона должна соответствовать температуре тела человека, а перед объектом необходимо поместить препятствие моделирующее одежду, или другие возможные помехи. На рисунке 3 представлены терагерцовые изображения, полученные на частоте 300 ГГц, абсолютно черного тела, выполненного в виде вертикальной палочки за различными препятствиями. В качестве препятствий были выбраны хлопчатобумажная ткань, пластик, фанера, картон и фарфор. Из представленных

Рис. 3. Влияние препятствий на качество изображений. Представлены изображения вертикальной палочки, цветом в градациях серого показана радиояркостная температура (для наглядности изображение представлено в инверсии, то есть более нагретые объекты соответствуют более темным областям). Линией показаны зависимости радиояркостной температуры от координаты. На рисунке А представлено изображение стержня без препятствия, Б - в качестве препятствия использовалась хлопчатобумажная ткань с потерями ~ 0.3 с1В в рабочем диапазоне частот, В - препятствие из пластика толщиной 3 мм с потерями ~ 1.1 ёВ, Г - фанера толщиной 3 мм с потерями ~ 7.5 ¿В, Д - картон переплетный (потери ~ 2.7 аВ), Е - фарфор толщиной 3 мм (потери ~ 4.1 ав).

изображений видно, что хлопчатобумажная ткань не представляет преграду для получения качественного изображения. Фанера является существенным препятствием для получения изображений, в противовес пластику.

Также в разделе представлены коэффициенты пропускания различных материалов, из которых обычно изнготавливается одежда, в диапазоне частот 150-300 ГГц.

В пятом разделе даются выводы к главе и приводятся основные результаты главы. В главе продемонстрирован простой способ достижения предельных флуктуационных характеристик, заключающийся в уходе от нежелательных флуктуаций за счет увеличения частоты модуляции и снижения величины входного сигнала. Достигнуто предельное значение флуктуационной чувствительности для НЕВ смесителя, которое составило 0.45 К на частоте ~ 300 ГГц при постоянной времени 1 с, ширине полосы промежуточных частот 200 МГц и шумовой температуре приемника ~ 2000 К. Получены ограничения на размер матричного приемника, расположенного на одной линзе. При увеличении числа приемников матрицы более чем 2x2 будет наблюдаться снижение чувствительности приемников и перекрытие даиграмм направленностей отдельных пикселов матрицы.

В третьей главе "Сверхпроводниковый интегральный приемник как чувствительный элемент пассивного супергетеродинного тепловизора тера-

терцового диапазона частот" изложены результаты исследования лабораторного макета терагерцового тепловизора на базе сверхпроводниковый интегрального приемника, а также обсуждаются полученные характеристики лабораторного макета. Глава состоит из шести разделов. Результаты третьей главы опубликованы в работах [А2, А5, А9] .

В первом разделе главы описан объект исследования: сверхпроводящий интегральный приемник, в котором интегрированы малошумящий терагерцовый смеситель на квазичастичной нелинейности перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, высокостабильный гетеродин, управляемый напряжением и гармонический смеситель, предназначенный для организации линии фазовой автоподстройки частоты гетеродина.

Во втором разделе главы приводится описание лаборатор-

1000

Шумовая температура,К

Рис. 4. Зависимость флуктуационной чувствительности приемника от его шумовой температуры. Точками представлены экспериментальные значения, кривые — теоретический расчет (выра-ных макетов пассивного суперге- жешш х и 2). Обе кривые построены при д = теродинного тепловизора на ба- 1.4-104 (ширина полосы усиления тракта проме-зе сверхпроводящего интеграль- жуточной частоты В„ = 200 МГц и постоянная

ного приемника, использованных вРемени у"ред™^Г 1 С'}" КриВ°Й (2) °Т

ветствует = ¿00 К (комнатная температура).

для исследования флуктуацион- Кривая (1) соответствует случаю когда Г* << Тл. ной чувствительности приемника.

В третьем разделе главы приводятся экспериментальные результаты исследования флуктуационной чувствительности для лабораторного макета пассивного супергетеродинного тепловизора на базе сверхпроводящего интегрального смесителя. Зависимость флуктуационной чувствительности приемника от его шумовой температуры представлена на рисунке 4. Определяющими флуктуационную чувствительность приемника в случае сверхпроводящего интегрального приемника являются флуктуации температуры объекта наблюдения. Кривыми показаны значения предельной флуктуационной чувствительности, вычисленные по формулам 1 и 2.

Погрешность измерения флуктуационной чувствительности определялась

Рис. 5. Временные зависимости выходного сигнала синхронного усилителя при разных величинах входного сигнала. В качестве величины входного сигнала считалась разница физических температур нагрузки и лопастей механического обтюратора. Слева приведены зависимости выходного сигнала для образца Т4т-093#11ю (минимальное значение флуктуационной чувствительности ДТа = 13 ± 2мК), справа - аналогичные характеристики для приемника Т4т-093#6т (минимальное значение флуктуационной чувствительности ДГя = 10 ± 1мК).

временем накопления сигнала и не превышала 7%. Погрешность измерения шумовой температуры не превышала 10%. Большой разброс экспериментальных точек и превышение измеренных значений над теоретическим пределом связан с тем фактом, что флуктуационная чувствительность является функцией величины входного сигнала и с уменьшением величины входного сигнала значение флуктуационной чувствительности приближается к теоретическому пределу. В случае больших шумовых температур вообще было невозможным уменьшить входной сигнал так, чтобы было возможным достигнуть предельной флуктуационной чувствительности приемника. Однако, в ряде случаев достижение предельной флуктуационной чувствительности было возможно, что и продемонстрировано приведенным графиком. При этом кривая (2) служит предельным случаем, ниже которого значениг флуктуационной температуры быть не могут.

Временные зависимости выходного сигнала приемника от величины входного сигнала показаны на рисунке 5. На частоте 500 ГГц, при полосе тракта ПЧ 4 ГГц, постоянной времени 1 с предельная флуктуационная чувствительность составляет 13 ± 2мК и 10 ± 1мК при шумовой температуре приемника 170 К (для приемника Т4т-093#11т) и 90 К (для приемника Т4т-093#6т) соответственно.

Помимо этого в разделе обсуждаются вопросы необходимой стабильности источника смещения приемника и выводятся критерии стабильности ис-

точника смещения. Критичным значением стабильности напряжения смещения является значение ~1 мкВ.

В четвертом разделе обсуждаются способы повышения стабильности приемника. Анализ времени стабильности приемника проводился в терминах вариации Аллана [12]. Для увеличения времени Аллана системы была предложена цифровая корректировка сигнала. Для коррекции изменения коэффициента преобразования приемника использовалось подвижное зеркало, которое могло находится в 2-х положениях: в первом положении приемник "смотрел" на опорную нагрузку (температурой 77 К), во втором положении приемник "смотрел" на сигнальную нагрузку (температурой 300 К). Время переключения зеркала из одного положения в другое составляло около 1.8 мсек.

Продетектированный ПЧ сигнал подавался на систему сбора данных, которая также управляла зеркалом и регистрировала его положение. Система сбора данных одновременно измеряла величину сигнала для опорной и сигнальной нагрузок и производила корректировку сигнала с учетом изменения сигнала опорной нагрузки. Для измерений в реальном времени удобно использовать следующее корректировочной выражение:

с, _ Зоит\п /о\

°0иъ — "Я-(Л

здесь БдеРо ~~ выходной сигнал в рящего" на опорную нагрузку, £оат; и <5диг - мгновенное значение выходного сигнала приемника "смотрящего" на сигнальную и опорную нагрузки соответственно, 3'0ит. - скорректированное значение выходного сигнала. Программное обеспечение системы сбора данных позволяет на лету производить корректировку выходного сигнала.

На рисунке 6 представлена вариация Аллана для опорного сигнала, полезного сигнала и скорректированного в соответствии с выражением 3. Флуктуации скорректированного сигнала при малых временах интегрирования больше, чем флуктуации каждого из измеряемых сигналов, в соответствии

Постоянная времени, сек

Рис. 6. Вариация Аллана для опорного, полезного сигнала и скорректированного сигналов при ширине полосы тракта ПЧ 4 ГГц, на вставке представлен результат корректировки сигнала в случае ширины полосы тракта ПЧ 40 МГц.

начальный момент, для приемника "смот-

Рис. 7. Терагерцовое изображение тестового объекта «звезда» и его изображение в оптическом диапазоне.

с выражением + аоит- гРаФике видно, что использование кор-

рекционной методики позволяет снизить влияние 1// шума и дрифтов на стабильность выходного сигнала более чем на порядок, при этом время Аллана было увеличено с десятых долей секунды до 5 сек (при ширине полосы тракта ПЧ - 4 ГГц). Вставка на рисунке 6 показывает результат корректировки выходного сигнала в случае узкой полосы тракта ПЧ. В этом случае при ширине полосы в 40 МГц удается достигнуть времени Аллана в 20 сек.

Стоит подчеркнуть, что продемонстрированное увеличение времени Аллана, получено лишь с использованием математической обработки сигнала без использования сложных схем стабилизации коэффициента преобразования приемника.

Пятый раздел главы посвящен получению терагерцовых изображений. На рисунке 7 представлено фотоизображение и терагерцовое изображение тестового объекта "звезда", полученное с помощью лабораторного макета тепловизора, изготовленного на базе супергетеродинного интегрального приемника. Изображение получено перемещением объекта в 2-х взаимоперпендикулярных направлениях.

В Заключении сформулированы основные результаты работы: В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Впервые исследована флуктуационная чувствительность терагерцового супергетеродинного приемника на основе НЕВ смесителя. Полученная флуктуационная чувствительность (0.45 К при постоянной времени 1 е., шумовой температуре смесителя ~ 2000 К и частоте гетеродина ~ 300 ГГц) является рекордной для этого типа супергетеродинных приемников.

2. Впервые исследована флуктуационная чувствительность сверхпроводящего интегрального приемника, в котором объединены СИС смеситель

и генератор гетеродина ЕГО. Полученная флуктуационная чувствительность (10 мК при постоянной времени 1 е., шумовой температуре смесителя ~ 90 К и частоте гетеродина ~ 500 ГГц) является рекордной для этого типа супергетеродинных приемников.

3. Впервые изучено влияние паразитных вкладов (стабильность источников питания приемника, стабильность гетеродина) в формирование флук-туационной чувствительности супергетеродинного приемника и предложена простая методика достижения предельных значений чувствительности терагерцевых тепловизоров. Предложенная методика позволила получить рекордные значения флуктуационной чувствительности для обоих типов приемников.

4. Предложена и опробована методика увеличения временной стабильности приемника с помощью математической обработки выходного сигнала. Достигнутое время стабильности системы (время Аллана) составило ~ 5 с. при ширине полосы промежуточных частот ~ 4 ГГц. Для использования приемника в практических целях при конструировании системы построения радиоизображений необходимо, чтобы это время стабильности системы превышало время получения кадра, в противном случае будет наблюдаться ухудшение температурного разрешения системы. Полученное время стабильности существенно превышает время, используемое в стандартах веб-камер (2-3 кадра в секунду).

5. С помощью разработанных приемников получены тепловые изображения в терагерцевом диапазоне частот, продемонстрировано влияние препятствий на качество изображения, а также разработаны требования к возможности получения тепловых изображений за препятствиями;

Достоверность полученных результатов обеспечивается и подтверждается согласием полученных данных с экспериментальными и теоретическими исследованиями других авторов.

Флуктуационная чувствительность, полученная для НЕВ смесителей в этой работе, существенно хуже по сравнению с чувствительностью интегрального приемника. Роль НЕВ смесителя становится определяющей на частотах выше 1 ТГц, поскольку СИС-смеситель, являющийся ключевым элементом СИП, на этих частотах работать не будет. К сожалению в данной работе не приведены результаты работы автора с НЕВ смесителями на частотах выше

1 ТГц. Имеющиеся в распоряжении автора приемники обладают низкими шумовыми температурами (от 700 К на частоте 2.5 ТГц), однако, стабильность используемого гетеродина (газовый лазер, работающий на смеси паров воды и водорода) не позволяла получить предельные значения флуктуационной чувствительности.

Полученные в работе результаты перспективны с точки зрения их коммерческого использования. На момент написания этой работы компания ЗАО "Сверхпроводниковые нанотехнологии", созданная сотрудниками и аспирантами УНРЦ МПГУ,и сотрудником которой является автор диссертации, основываясь на результатах диссертационного исследования, проводит разработку прототипа пассивного терагерцового тепловизора диапазона 500-600 ГГц на основе сверхпроводящего интегрального приемника.

Список публикаций

А1. Ожегов Р. В., Гронский П. В., Муратова Т. В. Система сбора данных на микросхемах Analog Devices. // Приборы и техника эксперимента. 2008. №3. С. 177-179. - 0.2 п.л. (авторский вклад 70%).)

А2. Ожегов Р. В., Окунев О. В., Гольцман Г. Н., Филиппенко JI. В., Кошелец В. П. Флуктуационная чувствительность сверхпроводящего интегрального приемника терагерцового диапазона частот. // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54, №6, С. 750-755. - 0.4 п.л. (авторский вклад 70%).

A3. Ожегов Р. В., Окунев О. В., Гольцман Г. Н. Флуктуационная чувствительность сверхпроводящего болометрического смесителя на эффекте разогрева электронного газа. // Радиотехника. 2009. №3. С. 120-125. - 0.4 п.л. (авторский вклад 80%).

А4. Ожегов Р. В.. Горшков К. Н., Окунев О. В., Гольцман Г. Н. Сверхпроводниковый смеситель на эффекте электронного разогрева как элемент матрицы системы построения тепловых изображений. // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, № 21. С. 70-77. - 0.5 п.л. (авторский вклад 70%).

А5. Ozhegov R. У., Gorshkov К. N., Gol'tsman G. N., Kinev N. V., Koshelets V. P. Stability of terahertz receiver based on superconductin

integrated receiver. // Superconducting Science and Technology. 2011. no. 24. P. 035003. - 0.25 п.л. (авторский вклад 60%).

A6. Ожегов Р. В.. Морозов Д. В., Масленников С. Н., Смирнов К. В., Оку-нев О. В. и Гольцман Г. Н. Тепловизор субмиллиметрового диапазона длин волн для регистрации теплового излучения человека и обнаружения скрытых под одеждой предметов. // 3-я Международная выставка и конференция "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности". 2004- 17-19 марта. С. 2.51. - 0.06 п.л. (авторство не разделено).

А7. Ожегов Р. В.. Масленников С. Н., Морозов Д. В., Окунев О. В., Смирнов К. В., Гольцман Г. Н. Тепловизор субмиллиметрового диапазона длин волн. // Десятая Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых. 2004 - 1-7 апреля 2004г. С. 971-973. - 0.13 п.л. (авторство не разделено).

А8. Maslennikov S. N., Morozov D. У., Ozhegov R. V., Smirnov К. V., Okunev О. V., Gol'tsman G. N. Imaging system for submillimeter wave range based on AlGaAs/GaAs hot electron bolometer mixers. // The Fifth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves. 2004. - 21-26 June. Pp. 558-560. - 0.13 п.л. (авторство не разделено).

А9. Ожегов Р. В.. Горшков К. Н., Гольцман Г. Н., Кинев Н. В., Кошелец В. П. Флуктуационная чувствительность и временная нестабильность сверхпроводникового интегрального приемника для тепловизора терагерцо-вого диапазона. // Научно- техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике / Научная сессия НИЯУ МИФИ. Москва: 2011. С. 144-145. - 0.13 п.л. (авторство не разделено).

Цитированная литература

1. Sisov F. THz radiation sensors // OPTO-ELECTRONICS REVIEW. 2010. Vol. 18, no. 1. Pp. 10-36.

2. Сизов Ф. Ф. Фотоэлектроника для систем видения в "невидимых" участках спектра. Киев: Академпериодика, 2008.

3. Zimdars D., White J., Stuck G., et al. Time Domain Terahertz Imaging of Threats in Luggage and Personnel // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2007. Vol. 17, no. 2.

4. Karpovicz N., Dawes D., Perry M. J., Zhang X.-C. Fire damage on carbon fiber materials characterized by THz waves // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2007. Vol. 17, no. 2. Pp. 213 - 224.

5. Kawase K., Ogawa Y., Minamide H., Ito H. Terahertz parametric sources and imaging applications // Semicond. Sci. Technol. 2005. no. 20. Pp. 258 — 265.

6. Karpowicz N., Zhong H., Xu J. et al. Comparison between pulsed terahertz time-domain imaging and continuous wave terahertz imaging // Semicond. Sci. Technol. 2005. Vol. 20. Pp. 293 — 299.

7. Hubers H.-W. Active Terahertz Imaging for Security (TeraSec). SRC 07, Berlin, 27.03.2007.

8. Luukanen A., Grossman E. N., Miller A. J. et al. An ultra-low noise superconducting antenna-coupled microbolometer with a room-temperature read-out // IEEE Microware and wireless components letters. 2006. — August. Vol. 16, no. 8.

9. Гудмен Д. Введение в фурье-оптику. Москва: Мир, 1970.

10. Koshelets V. P., Shitov S. V., Filippenko L. V., et al. // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 68. P. 1273.

11. Есепкина H. А., Корольков Д. В., Парийский Ю. Н. Радиотелескопы и радиометры. Москва: Наука, 1973.

12. Allan D. Statistics of Atomic Frequency Standards // Proceedings of IEEE. 1966.-February. Vol. 54, no. 2. Pp. 221-230.

Подп. к печ. 15.11.2011 Объем 1.25 пл. Зак. № 152 Тир. 100 экз.

Типография МПГУ

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Ожегов, Роман Викторович

Введение.

Глава 1. Принципы построения и работы терагерцовых систем радиовидения.

1.1. Основные применения систем радиовидения радио- и ИК диапазонов.

1.2. Активные системы терагерцевого радиовидения.

1.2.1. Импульсная активная система терагерцового радиовидения.

1.2.2. Активная система терагерцевого радиовидения, использующая приемник прямого детектирования.

1.2.3. Активная система терагерцевого радиовидения, использующая супергетеродинный приемник.

1.3. Пассивные системы терагерцового радиовидения.

1.3.1. Пассивная система терагерцового радиовидения, основанная на приемнике прямого детектирования.

1.3.2. Пассивная система терагерцового радиовидения, использующая супергетеродинный приемник.

1.4. Выбор объекта исследования и постановка задачи исследования.

Глава 2. Смеситель на эффекте электронного разогрева в тонких сверхпроводящих пленках как чувствительный элемент пассивного супергетеродинного тепловизора терагерцового диапазона частот.

2.1. Методика измерения флуктуационной чувствительности НЕВсмесителя.

2.2. Экспериментальные результаты и методы достижения предельных значений флуктуационной чувствительности.

2.3. Изменение параметров НЕВ-смесителя в зависимости от его положения на гиперполусферической линзе.

2.4. Получение терагерцовых изображений. Влияние препятствий на качество изображений.

2.5. Выводы к главе.

Глава 3. Сверхпроводниковый интегральный приемник как чувствительный элемент пассивного супергетеродинного тепловизора терагерцового диапазона частот.

3.1. Сверхпроводниковый интегральный приемник.

3.2. Описание методики проведения эксперимента.

3.3. Флуктуационная чувствительность сверхпроводящего интегрального приемника.

3.4. Временная стабильность сверхпроводящего интегрального приемника.

3.5. Получение терагерцовых изображений при помощи сверхпроводникового интегрального приемника.

3.6. Выводы к главе.

Введение диссертация по физике, на тему "Флуктуационная чувствительность и стабильность приемников с СИС и НЕВ смесителями для терагерцового тепловидения"

Изучение космоса происходит, главным образом, на основании исследования электромагнитного излучения. Первоначально в основе астрономии лежало визуальное наблюдение астрономических объектов в достаточно узком видимом диапазоне длин волн. Наблюдения в смежных диапазонах длин волн начались лишь в прошлом веке, и к настоящему моменту изучение космических объектов ведется в различных областях электромагнитного спектра от радиоволн до гамма излучения.

Астрономические наблюдения в радиодиапазоне стали проводится с начала 30-х годов прошлого века, положив начало радиоастрономии. За годы своего развития радиоастрономия обогатила человечество знаниями о природе явлений, происходящих внутри космических объектов и окружающего пространства. По мере развития техники появилась возможность проводить измерения в ранее недоступной субмиллиметровой (субмм) и дальней инфракрасной (дальняя ИК) области спектра (100 ГГц - 10 ТГц), именуемой те-рагерцевым диапазоном [1, 2]. Терагерцовый диапазон частот занимает промежуточное место между радио- и ИК диапазонами. Сложность работы в этом диапазоне частот связана с так называемой "терагерцовой ямой" (THz gap) [3]: мощность источников излучения падает при приближении к терагер-цовому диапазону частот как со стороны радиочастот так и со стороны ИК диапазона (Рисунок 1).

Вместе с тем, процессы, связанные с формированием звезд и галактик, сопровождаются интенсивным ультрафиолетовым излучением, нагревающим окружающую "холодную" среду. Таким образом, области Вселенной, в которых протекают процессы звездообразования, как правило, окружены облаками газов с большей температурой и концентрацией, чем "холодное" межзвездное вещество. Интенсивность и спектральный состав излучения подобных об

100 1,000 10,000 Частота, ГГц

100,000

Рис. 1. Зависимость мощности от частоты для различных типов терагерцовых источников [4]. Для квантово-каскадных лазеров (С^СЬ) (заполненный квадрат) мощность излучения существенно падает со снижением частоты, минимально достигнутая частота / = 1.2 ТГц при рабочей температуре Т = 110 К в непрерывном режиме и Т = 163 К в импульсном режиме. Заполненным кружком показана мощность на выходе умножителей частоты, сопряженных с другими источниками излучения (показаны открытым треугольником): генераторами, основанными на диодах Ганна или лавинно-пролетных диодах. Криогенные источники показаны открытым кружком. ластей звездного неба содержит в себе информацию о процессах, происходящих при образовании новых звезд и галактик. В терагерцевом диапазоне спектр излучения Вселенной включает в себя порядка 40 тысяч отдельных линий, но на сегодняшний день произведено наблюдение только нескольких тысяч из них [5, 6]. В силу того, что в основном исследуемые объекты имеют температуру порядка 30 К, максимум их спектра излучения находится именно в терагерцевом диапазоне частот. По данным, полученным в рамках проекта NASA Cosmic Background Explorer (СОВЕ), излучение, приходящееся на субмиллиметровый и дальний инфракрасный диапазоны, составляет около половины регистрируемой яркости наблюдаемых галактик, включая Млечный путь [7].

Развитие терагерцевых инструментов привело к созданию уникальных астрономических приборов, среди которых особо следует отметить такие находящиеся в разработке и уже состоявшиеся проекты как TELIS - телескоп, базирующийся на стратосферном аэростате [8, 9], HERSHEL - телескоп спутникового базирования [10], SOFIA - телескоп самолетного базирования [11], Миллиметрон - отечественный амбициозный проект, направленный на создание уникального интерферометра со сверхбольшой базой [12], ALMA [13], APEX [14], SMA [15] и т.д. Астрономические исследования в терагерцевом диапазоне частот позволили получить новую информацию о распределении вещества во вселенной и, в частности, привели к открытию "темной энергии" и "темной материи" [16, 17]. "Научная гонка" в области терагерцевых астрономических исследований способствовала развитию уникальных приемников и источников терагерцевого диапазона частот. В настоящее время существует достаточно большое количество разнообразных терагерцевых приемников и источников излучения, продолжающих развиваться и совершенствоваться, но уже сейчас состояние разработок достигло такого уровня, что такие характеристики как надежность и чувствительность приемников, мощность и стабильность источников излучения, возможность промышленного изготовления, стоимость изготовления позволяют планировать их использование не только в супердорогих астрономических проектах, но и при конструировании приборов, используемых в повседневной жизни человека.

Одной из областей применений, в которой терагерцовые приемники и источники излучения могут занять достойное место, является использование их для получения видимого изображения объектов с помощью радиоволн (системы радиовидения) [18]. Важными потенциальными применениями терагерцо-вых систем радиовидения [19-22] являются их применение для авиационной безопасности [23-25], навигации в условиях ограниченной видимости, экологическом мониторинге [26, 27], вулканологии [28, 29], выявлении скрытого под одеждой оружия [30-33], медицине [34, 35], астрономии [36, 37], интроскопии промышленных конструкций, пассивной локации произвольных объектов [38] и многие другие.

Существует несколько различных подходов к построению терагерцевой системы радиовидения. Все системы, разрабатываемые в настоящее время, делятся на активные и пассивные. В первом случае объект наблюдения облучается терагерцевым излучением, а регистрирующая аппаратура принимает отраженное от объекта или прошедшее сквозь него излучение. В случае пассивной системы радиовидения регистрируется собственное тепловое излучение объекта наблюдения. Основным плюсом первого метода являются низкие требования по чувствительности к приемнику излучения, однако использование активных методов в ряде случаев нежелательно, например при использовании в медицине и службах безопасности.

Для пассивных систем радиовидения видимое изображение получается, по собственному тепловому излучению тел. В этом случае пассивные системы' : радиовидения вправе называться тепловизорами [39]. При создании пассивной системы радиовидения приходится использовать приемники с высокой чувствительностью. Существующие разработки пассивных терагерцевых систем радиовидения (тепловизоров) делают в основном упор на приемники прямого детектирования. Применение супергетеродинного приемника позволяет использовать спектральную информацию о тепловом излучении наблюдаемых объектов, что в свою очередь позволяет определять химический состав наблюдаемых объектов, а значит имеет большой практический интерес с точки зрения применения терагерцевого тепловизора в медицинских системах и службах безопасности. Помимо этого, супергетеродинный приемник позволяет получать информацию о распределении фазы в фокальной плоскости объекта, а значит, при помощи такого прибора возможно без использования сложной оптики строить срезы, расположенные на различной глубине наблюдаемого объекта только благодаря математической обработке амплитудных и фазовых распредений сигнала в плоскости приемника [40]. Стоит отметить, что к началу работы над диссертационным исследованием не существовало аналогов терагерцовых супергетеродинных тепловизоров (подобные аналоги существовали в более длинноволновых 3-х и 8-ми миллиметровом диапазонах).

Настоящая работа посвящена разработке физических принципов построения пассивных тепловизоров терагерцового диапазона частот, основанных на супергетеродинных приемниках. Среди наиболее развитых смесителей те-рагерцевого диапазона частот можно выделить смесители на диодах с барьером Шоттки (ДБШ), смесители на квазичастичной нелинейности туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС смеситель) и смесители на эффекте электронного разогрева в тонких сверхпроводящих пленках (НЕВ смеситель от английской абривиатуры hot-electron bolometer).

До недавнего времени в терагерцевом диапазоне в качестве приемного элемента использовались только ДБШ, работающие в широком диапазоне температур [41-43]. Тем самым они становились удобным вариантом приемника, несмотря на резкое ухудшение чувствительности с ростом частоты гетеродина. Однако, большим недостатком смесителей на диоде с барьером Шоттки является большая требуемая мощность гетеродина (порядка милливатта), что предполагает использование громоздких, с большим энергопотреблением газовых лазеров, в то время как в практических гетеродинных приемниках обычно используют компактные твердотельные гетеродинные источники (например, диод Ганна с умножителями или полупроводниковые лазеры) с выходной мощностью всего несколько микроватт.

Значительный прогресс был достигнут с разработкой малошумящих смесителей, использующих туннельный переход сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник [44]. Он состоит из двух сверхпроводников, разделенных ультратонким слоем диэлектрика. Данный тип гетеродинного приемника сочетает предельно низкую шумовую температуру, близкую к квантовому пределу, с широкой полосой промежуточных частот, требует малой мощности гетеродина и отличается высокой стабильностью к ее флуктуациям в процессе измерений. Однако шумовая температура СИС смесителя испытывает значительный рост, когда частота излучения превышает удвоенную величину энергетической щели сверхпроводящего материала, из которого он изготовлен (порядка 0.7 ТГц для ниобия).

Смеситель на эффекте разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводников [45] обладает хорошей чувствительности наряду с достаточно широкой полосой преобразования, а также требует малой мощности гетеродина при субмикронных размерах чувствительного элемента. Он является весьма перспективным приемным элементом для терагерцевого диапазона частот, так как не имеет частотных ограничений по механизму смешения и не содержит реактивной компоненты, что облегчает задачу согласования смесителя с различными типами квазиоптических антенн. В работе [46] продемонстрирована работа HEB смесителя на частотах до 70 ТГц. Стоит однако отметить, что с уменьшением рабочей частоты ниже энергетической щели сверхпроводящего материала наблюдается ухудшение шумовой температуры приемника.

В качестве гетеродина наиболее приспособленным для использования в интегральных схемах является генератор на вязком течении джозефсонов-ских вихрей (в англоязычной терминологии flux flow oscillator - FFO) [47-50]. FFO обладает узкой линией генерации и допускает использование схем фазовой автоподстройки частоты. Мощность современных FFO достаточна для накачки HEB и СИС смесителей.

Актуальность исследования. В настоящее время существует большое количество разнообразных систем радиовидения, как СВЧ, так и ИК диапазонов [51]. Они обладают хорошими характеристиками и широко востребованы. Однако, при всем существующем многообразии, они не решают целый ряд задач, которые в принципе могут быть решены с помощью приборов терагерцевого диапазона частот. Среди систем радиовидения терагерцо-вого диапазона наиболее развитыми в настоящее время являются активные системы построения радиоизображений. В этом случае объект наблюдения облучается терагерцовым излучением и принимается отраженный от объекта или прошедший сквозь него сигнал. Все разнообразие активных систем можно разбить на активную систему радиовидения, использующую импульсный источник зондирующего сигнала [52, 53]; активную систему радиовидения, использующую приемник прямого детектирования при непрерывном источнике зондирующего сигнала [54, 55], и супергетеродинную активную систему радиовидения [56].

Однако, в ряде случаев использование активных систем невозможно или затруднено, например, для обеспечения скрытного наблюдения, когда необходимо использовать пассивные системы радиовидения. Пассивные системы радиовидения можно разделить на системы, использующие приемник прямого детектирования [57], и системы, использующие супергетеродинный приемник. Супергетеродинный приемник, несмотря на большую сложность по сравнению с приемником прямого детектирования, обладает рядом существенных преимуществ: во-первых, помимо амплитуды сигнала он позволяет получать информацию и о фазе сигнала, что может быть существенно при анализе изображения; во-вторых, супергетеродинный приемник получает информацию как спектрометр высокого разрешения, что может быть использовано для определения химического состава наблюдаемых объектов, и, в-третьих, фазовая информация позволяет строить трехмерные изображения наблюдаемых объектов [40].

В настоящее время наиболее чувствительными супергетеродинными приемниками терагерцового диапазона частот, являются приемники, основанные на СИС смесителях. Наиболее значимым достижением последних лет, связанным с этим приемником, является создание сверхпроводящего интегрального приемника (СИП), объединяющего высокочувствительный СИС смеситель и РРО гетеродин [58]. Обладая выской чувствительностью, он имеет частотный диапазон ограниченный сверху энергетической щелью сверхпроводника. Для работы на более высоких частотах необходимо использовать в качестве смесительного элемента смеситель на горячих электронах (НЕВ смеситель).

Для реализации этой цели были решены следующие задачи:

1. Разработан и изготовлен лабораторный макет пассивного супергетеродинного тепловизора на базе НЕВ смесителя с использованием лампы обратной волны диапазона 300 ГГц в качестве гетеродина;

2. Разработан и изготовлен лабораторный макет пассивного супергетеродинного тепловизора на базе сверхпроводникового интегрального приемника, объединяющий высокочувствительный СИС смеситель и РРО гетеродин;

3. Проведено экспериментальное исследование флуктуационной чувствительности макетов пассивных терагерцовых тепловизоров;

4. Разработан метод достижения предельной флуктуационной чувствительности пассивных терагерцовых супергетеродинных тепловизоров;

5. Разработан метод повышения временной стабильности приемника;

6. С помощью изготовленных макетов в терагерцовом диапазоне частот получены тепловые изображения;

7. Исследовано влияние различных препятствий на получаемые тепловые изображения.

Объектами исследования являлись лабораторные макеты пассивных терагерцевых супергетеродинных тепловизоров на базе НЕВ смесителя и сверхпроводникового интегрального приемника.

Предметом исследований являлись характеристики лабораторных макетов тепловизоров: флуктуационная чувствительность, пространственное разрешение, временная стабильность.

Методы исследования. В работе применялись методы исследования шумовой температуры супергетеродинных приемников, методы исследования флуктуационной чувствительности супергетеродинного приемника. Измерения проводились при криогенных температурах.

Приемники и источники терагерцового диапазона частот активно развиваются в настоящее время многими научными группами. Наиболее важной характеристикой терагерцовых приемников в тепловизионных задачах является флуктуационная чувствительность приемника. С точки зрения достижения предельных флуктуационных чувствительностей сверхпроводящий интегральный приемник и НЕВ смеситель ранее не исследовались. Научная новизна работы заключается в исследовании узлов пассивной супергетеродинной тепловизионной схемы терагерцевого диапазона частот, а также в детальном исследовании флуктуационной чувствительности СИС и НЕВ смесителей, изучении влияния паразитных вкладов и достижении предельных значений флуктуационной чувствительности приемников. Помимо этого, новизна работы связана с использованием цифровых методов обработки сигнала в реальном времени для увеличения временной стабильности супергетеродинных приемников.

В ходе работы были получены следующие научные результаты:

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предельно достижимое значение флуктуационной чувствительности пассивного супергетеродинного приемника на базе сверхпроводящего интегрального приемника, в котором объединены СИС смеситель и гетеродин РРО определяется в основном радиояркостной температурой фона. На частоте 500 ГГц, при полосе тракта ПЧ 4 ГГц, постоянной времени 1 с предельная флуктуационная чувствительность составляет 13 ± 2 мК и 10 ± 1 мК при шумовой температуре приемника 170 К и 90 К соответственно.

2. Флуктуационная чувствительность супергетеродинного приемника на базе НЕВ смесителя не превышает 0.5 К на частоте 300 ГГц при шумовой температуре 2000 К, полосе тракта ПЧ 200 МГц и постоянной времени 1 с.

3. Использование цифровых способов корректировки сигнала позволяет существенно увеличить временную стабильность приемника без использования сложного измерительного оборудования. В полосе ПЧ 4 ГГц использование корректировки сигнала позволяет увеличить время Алана более чем на порядок до значения в 5 с.

Апробация работы. Основные результаты, изложенные в диссертации докладывались не следующих международных и всероссийских конференциях:

• Пятая Всероссийская молодежная конференция по физике полупроводников и полупроводниковой опто- и наноэлектронике;

• 3-я Международная выставка и конференция "Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности";

• Десятая Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых;

• The Fifth International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves;

• 17-th international symposium on space terahertz technology;

• "Прикладная сверхпроводимость 2010";

• SET-159 Specialists Meeting on "Terahertz and Other Electromagnetic Wave Techniques for Defence and Security";

• Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике.

Результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на научных семинарах учебно-научного радиофизического центра Московского педагогического государственного университета.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 12 работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах [Al, А2, A3, А4, А5], 4 статьи в сборниках трудов конференций [А6, А7, А8, А9] и 3 тезиса докладов [А10, АН, А12].

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Творческий вклад автора выразился в формулировке задач, разработке экспериментальных методик и создании измерительных установок, в проведении экспериментов, планировании и проведении комплексных экспериментов и обработке результатов измерений, в участии в обсуждении и анализе полученных результатов, написании статей и конкурсных проектов. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка публикаций автора и библиографии. Общий объем диссертации 135 страниц, из них 120 страниц текста, включая 46 рисунков и 2 таблицы. Библиография включает 108 наименований на 12 страницах.

Заключение диссертации по теме "Радиофизика"

3.6. Выводы к главе.

В настоящей главе продемонстрирован способ достижения предельных флуктуационных характеристик на примере сверхпроводящего интегрального приемника. Полученное в работе лучшее значение в 10 ± 1мК при постоянной времени 1 с. является рекордной для супергетеродинных приемников терагерцового диапазона частот. Полученные значения флуктуационной чувствительности соответствуют теоретическим предсказаниям.

Предложенный в работе способ корректировки сигнала в реальном времени позволяет существенное увеличить времена стабильности приемника. Использование более стабильных систем позволяет увеличить время получения кадра, а значит и температурное разрешение кадра. При разработке системы радиовидения, основанной на супергетеродинном приемнике, необходимо сочетать широкую полосу промежуточных частот (для обеспечения высокой температурной чувствительности) и высокое время стабильности системы,превышающее время получения кадра. Сочетать эти два параметра достаточно сложно. Предложенный способ корректировки сигнала позволяет получать высокую стабильность выходного сигнала, при этом этот способ достаточно прост для реализации его в практических устройствах. Для этого достаточно лишь перекрыть часть апертуры приемника сигнальной нагрузкой известной температуры и проводить перекалибровку системы в реальном времени.

Заключение.

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Впервые исследована флуктуационная чувствительность терагерцового супергетеродинного приемника на основе HEB смесителя. Полученная флуктуационная чувствительность (0.45 К при постоянной времени 1 е., шумовой температуре смесителя ~ 2000 К и частоте гетеродина ~ 300 ГГц) является рекордной для этого типа супергетеродинных приемников.

2. Впервые исследована флуктуационная чувствительность сверхпроводящего интегрального приемника, в котором объединены СИС смеситель и генератор гетеродина FFO. Полученная флуктуационная чувствительность (10 мК при постоянной времени 1 е., шумовой температуре смесителя ~ 90 К и частоте гетеродина ~ 500 ГГц) является рекордной для этого типа супергетеродинных приемников.

Флуктуационная чувствительность, полученная для HEB смесителей в этой работе, существенно хуже по сравнению с чувствительностью интегрального приемника. Роль HEB смесителя становится определяющей на частотах выше 1 ТГц, поскольку СИС-смеситель, являющийся ключевым элементом СИП, на этих частотах работать не будет. К сожалению в данной работе не приведены результаты работы автора с HEB смесителями на частотах выше 1 ТГц. Имеющиеся в распоряжении автора приемники обладают низкими шумовыми температурами (от 700 К на частоте 2.5 ТГц), однако, стабильность используемого гетеродина (газовый лазер, работающий на смеси паров воды и водорода) не позволяла получить предельные значения флуктуационной чувствительности.

Полученные в работе результаты перспективны с точки зрения их коммерческого использования. На момент написания этой работы компания ЗАО

Сверхпроводниковые нанотехнологии", созданная сотрудниками и аспирантами УНРЦ МПГУ,и сотрудником которой является автор диссертации, основываясь на результатах диссертационного исследования, проводит разработку прототипа пассивного терагерцового тепловизора диапазона 500-600 ГГц на основе сверхпроводящего интегрального приемника.

Благодарности

Автор искренне признателен своему научному руководителю Гольцма-ну Григорию Наумовичу за предоставленную уникальную возможность заниматься интересной и актуальной научной работой, решать нетривиальные задачи, работая в возглавляемом им Учебно-научном радиофизическом центре МПГУ, а также за оказанную огромную поддержку в этой работе и неоценимую помощь при написании диссертации. Автор также хочет поблагодарить всех сотрудников УНРЦ МПГУ за сотрудничество и поддержку.

Работа не была бы сделана без участия д.ф.-м.н., профессора Кошель-ца Валерия Павловича, заведующего лабораторией 234 сверхпроводниковых устройств для приема и обработки информации ИРЭ РАН. Благодаря созданным в его лаборатории сверхпроводящим интегральным приемникам, стала возможной большая часть представленной в диссертации работе. Автор искренне признателен всем сотрудникам лаборатории 234 ИРЭ РАН за помощь, поддержку в выполнении работы, а также за плодотворное обсуждение полученных результатов.

Наконец, автор хочет выразить свою признательность своим родным и близким. Без их поддержки, терпения и понимания эта работа никогда бы не была выполнена.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Ожегов, Роман Викторович, Москва

1. Chan W. L., Deibel J., Mittleman D. M. 1.aging with terahertz radiation // Rep. Prog. Phys. 2007. no. 70. Pp. 1325-1379.

2. Wei J., Olaya D., Karasik B. et al. Ultrasensitive hot-electron nanobolome-ters for terahertz astrophysics // Nat. Nanotechnol. 2008. no. 3. P. 496-500.

3. Sisov F. THz radiation sensors // OPTO-ELECTRONICS REVIEW. 2010. Vol. 18, no. 1. Pp. 10-36.

4. Crowe Т., Bishop W., Porterfield D. et al. Opening the terahertz window with integrated diode circuits // IEEE J. Solid-St. Circ. 2005. Vol. 40. P. 2104-2110.

5. Phillips T. G., Keene J. Submillimeter astronomy // Proc. IEEE. 1992. Vol. 80. Pp. 1662-1678.

6. Siegel P. H. Terahertz Technology // Proc. IEEE. 2002.-March. Vol. 50, no. 3. Pp. 910-928.

7. Leisawitz D., et al. Scientific motivation and technology requirements for the SPIRIT and SPECS far-infrared/submillimeter space interferometers // Proc. SPIE, vol. 4013. 2000. Pp. 36-46.8. http://sron.nl.

8. Рябов В. А., Царев В. А., Цховребов A. M. Поиски частиц тёмной материи // УФН. 2008. № 178. С. 1129.

9. Peebles P. J. Е., Ratra В. The cosmological constant and dark energy // Reviews of Modern Physics. 2003. no. 75. Pp. 559—606.

10. Климов К. M. Радиовидение // Большая Советская Энциклопедия.

11. Пирогов Ю. А. Пассивное радиовидение в миллиметровом диапазоне длин волн // Известия ВУЗов "Радиофизика". 2003. Т. XLVI, № 8 9. С. 660 - 670.

12. Lüdi А. Passive Abbildende Systeme im mm-Wellen Bereich. Institut für angewandte Physik, Universität Bern. 2000.

13. Yujiri L., Shoucri M., MofFa P. Passive millimeter wave imaging // IEEE Microwave Magazine. 2003. Vol. 4, no. 3. Pp. 39 50.

14. Appleby R. Passive millimetre-wave imaging and how it differs from terahertz imaging // Phil. Trans. R. Soc. Lond. 2004. Vol. A 362. Pp. 379394.

15. Shoucri M., Davidheiser R., Hauss B. et al. A passive millimeter wave camera for landing in low visibility conditions // Aircraft Design, Systems and Operations Meeting. Monterey, CA, USA: 1993. —Aug 11-13. Pp. 1-7.

16. Lettington A. H., Dunn D., Alexander N. E. et al. Design and development of a high-performance passive millimeter-wave imager for aeronautical applications // Proc. SPIE. Vol. 5410. 2004. Pp. 210 218.

17. Blankson I. M. Passive Millimeter-Wave Imaging: Application To Aviation Safety In Extremely Poor Visibility // 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reno, NV, USA: 2005. -10-13 Jan. P. 15.

18. Физическая экология (Физические проблемы экологии): Сб. статей / Под ред. В. И. Трухин, Ю. А. Пирогов, К. В. Показеев. Спец. выпуск Вести. МГУ. Сер.З, Физ. Астроном., 1998. №4 - С. 84.

19. Lesurf J. С. G. MMW Imaging for Volcanology. University of St. Andrews. 2001. P.ll.

20. Robertson D. A., Macfarlane D. G. AVTIS: All-weather Volcano Topography Imaging Sensor // Joint 29th Int. Conf. on IR and MM Waves and 12th Int. Conf. on THz Electronics: Conference Didgest. Karlsruhe: 2004. Pp. 813 -814.

21. Huguenin R. G. The Detection of Hazards and Screening for concealed Weapons with Passive Millimeter Wave Imaging Concealed Threat Detectors // Millivision Technologies. 2005.

22. Grafulla-Gonzalez В., Haworth C. D., Harvey A. R. et al. Millimetre-Wave Personnel Scanners for Automated Weapon Detection // International Workshop on Pattern Recognition for Crime Prevention, Security and Surveillance. Bath, UK: 2005. Pp. 48 57.

23. Anderton R. N., Appleby R., Coward P. R. et al. Security scanning at 94GHz // Proc. of SPIE. 2006. Vol. 6211.

24. Baharav Z. I., Lee G. S., Taber R. C. Millimeter wave imaging system for personnel screening: scanning 107 points a second and using no moving parts // Proc. of SPIE. 2006. Vol. 6211.

25. Robertson D. A. MISTM: Medical Imager for Sub-surface Temperature Mapping // Joint 29th Int. Conf. on IR and MM Waves and 12th Int. Conf. on THz Electronics: Conference Didgest. Karlsruhe: 2004. Pp. 519 520.

26. Dallinger A., Schelkshorn S., Detlefsen J. Millimeter-Wave Imaging of Humans Basic Experiments // Joint 29th Int. Conf. on IR and MM Waves and 12th Int. Conf. on THz Electronics: Conference Didgest. Karlsruhe: 2004. Pp. 521 - 522.

27. Зинченко И. И. "Радиовидение" в астрономии // XXXIV студенческая научная конференция "Физика Космоса". Коуровка: 2005.

28. Doyle R., Lyons В., Walshe J. et al. Low Cost Millimetre Wave Camera Imaging up to 140GHz // 34th European Microwave Conference. Amsterdam: 2004. Pp. 1285 1289.

29. Тепловидение // Физическая энциклопедия.

30. Гудмен Д. Введение в фурье-оптику. Москва: Мир, 1970.

31. Crowe T. W., Mattauch R. J., Roser H. P. et al. GaAs Schottky Diodes for THz Mixing Applications // Proc. IEEE. 1992. Vol. 80. Pp. 1827 1841.

32. Gearhart S. S., Hesler J., Bishop W. L. et al. A Wide-band 760-GHz Planar Integrated Schottky Receiver // IEEE Microwave and Guided Wave Lett. 1993. Vol. 3. Pp. 205 297.

33. Richards P. L., et al. Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions // Appl.Phys.Lett. 1979. Vol. 34. P. 345.

34. Гершензон E. M., Гольцман Г. H., Гогидзе И. Г. и др. Смеситель миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн на основе разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводниковых пленок // СФХТ, 3, N10 (часть I). 1990. С. 2143 2160.

35. Nagatsuma T., Enpuku K., Irie F., Yoshida K. // J. Appl. Phys. 1983. Vol. 54, no. 3302.

36. Nagatsuma Т., Enpuku К., Irie F., Yoshida К. 11 J. Appl. Phys. 1984. Vol. 56, no. 3284.

37. Nagatsuma Т., Enpuku K, Irie F., Yoshida K. // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 58, no. 441.

38. Nagatsuma Т., Enpuku K., Irie F., Yoshida K. // J. Appl. Phys. 1988. Vol. 63, no. 1130.

39. Сизов Ф. Ф. Фотоэлектроника для систем видения в "невидимых" участках спектра. Киев: Академпериодика, 2008.

40. Zimdars D., White J., Stuck G., et al. Time Domain Terahertz Imaging of Threats in Luggage and Personnel // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2007. Vol. 17, no. 2.

41. Karpovicz N., Dawes D., Perry M. J., Zhang X.-C. Fire damage on carbon fiber materials characterized by THz waves // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2007. Vol. 17, no. 2. Pp. 213 224.

42. Kawase K., Ogawa Y., Minamide H., Ito H. Terahertz parametric sources and imaging applications // Semicond. Sci. Technol. 2005. no. 20. Pp. 258 — 265.

43. Karpowicz N., Zhong H., Xu J. et al. Comparison between pulsed terahertz time-domain imaging and continuous wave terahertz imaging // Semicond. Sci. Technol. 2005. Vol. 20. Pp. 293 — 299.

44. Hiibers H.-W. Active Terahertz Imaging for Security (TeraSec). SRC 07, Berlin, 27.03.2007.

45. Luukanen A., Grossman E. N., Miller A. J. et al. An ultra-low noise superconducting antenna-coupled microbolometer with a room-temperature read-out // IEEE Microware and wireless components letters. 2006.— August. Vol. 16, no. 8.

46. Koshelets V. P., Shitov S. V., Filippenko L. V., et al. // Appl. Phys. Lett. 1996. Vol. 68. P. 1273.59. http://www.teraview.co.uk.

47. Kemp M., Taday R. F., Cole B. E. et al. Security Applications of Terahertz Technology // Proceedings of SPIE. 2003. Vol. 5070.

48. Bjarnason J. E., Chan T. L. J., Lee A. W. M. et al. Millimeter-wave, terahertz, and mid-infrared transmission through common clothing // Applied Physics Letters. 2004.-Jul. Vol. 85, no. 4. Pp. 519 521.62. http://en.wikipedia.org/wiki/RGBcolormodel.

49. Lauterbur P. C. Image Formation by Induced Local Interactions: Examples of Employing Nuclear Magnetic Resonance // Nature 242: 190-1. 1973.64. http://en.wikipedia.org/wiki/MMIC.

50. Zhong H., Redo-Sanchez A., Zhang X.-C. Standoff sensing and imaging of explosive related chemical and bio-chemical materials using THz-TDS // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2007. Vol. 17, no. 2. Pp. 239 249.

51. Xie X., Dai J., Yamaguchi M., Zhang X.-C. Ambient air using the nonlinear media for THz wave generation // International Journal of High Speed Electronics and Systems. 2007. Vol. 17, no. 2. Pp. 261 270.

52. Краус Д. Д. Радиастрономия. Пер. с англ., под ред. Железнякова В. В. Москва: Сов. радио, 1973.

53. Есепкина Н. А., Корольков Д. В., Парийский Ю. Н. Радиотелескопы и радиометры. Москва: Наука, 1973.

54. Зражевский А. Ю., Голунов В. А., Гапонов С. С. и др. Особенности и возможности поляризацонного стереорадиовидения в ММ-диапазоне волн // Радиотехника. 2006. № 5 6.

55. Davenport W. В., Root W. L. An Introduction to the theory of random signals and noise. New York: IEEE Press, 1985.

56. Balanis C. A. Antenna Theory: Analysis and Design. 1997.

57. Гершензон E. M., Гершензон M. E., Гольцман Г. H. и др. О предельных характеристиках быстродействующих сверхпроводниковых болометров.

58. Allen С. A., et al. A Dry-Etch Process for Low Temperature Superconducting Transition Edge Sensors for Far Infrared Bolometer Arrays // Low Temperature Detectors. 2003. no. 10.

59. Staguhn J., et al. TES Detector Noise Limited Readout Using SQUID Multiplexers // AIP-CP № 605, Low Temperature Detectors. 2001. Pp. 321 -324.

60. Helisto P., Luukanen A., Gronberg L. et al. Antenna-coupled microbolome-ters for passive THz direct detection imaging arrays // Proceedings of the 1st European Microwave Integrated Circuits Conference. Manchester UK: 2006. — September. Pp. 35 38.

61. Luukanen A., Grönberg L., Helistö P. et al. An array of antenna-coupled superconducting microbolometers for passive indoors real-time THz imaging // Proc. SPIE. Vol. 6212. Pp. 270 278.

62. Bessemoulin A., Grunenputt J., Fellon P. et al. Coplanar W-band low noise amplifier MMIC using 100-nm gate-length GaAs PHEMTs // 34th European Microwave Conference. Amsterdam: 2004.

63. Kärkkäinen M., Varonen M., Kantanen M. et al. Low noise amplifiers for 94 GHz Cloud Radar // 12th GAAS© Symposium. Amsterdam: 2004. Pp. 411 -414.82. http://www.farrал.com/.83. http://www.thruvision.com.

64. Финкель M. И., Масленников С. H., Гольцман Г. Н. Концепция приёмного комплекса космического радиотелескопа «Миллиметрон» // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2007. Т. 50, № 10-11. С. 924-934.

65. Gompf В., Gerull М., Muller Т., Dressel М. THz-micro-spectroscopy with backward-wave oscillators // Infrared Phys. к Techn. 2006. Vol. 49. P. 128 132.

66. Mehdi I., Schlecht E., Chattopadhyay G., Siegel P. H. THz local oscillator sources: Performance and capabilities // Proc. SPIE. 2003. Vol. 4855. P. 435 -446.

67. Eisele H., Kamoua R. Submillimeter-wave InP Gunn devices // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2004. Vol. 52. P. 2371 2378.

68. Faist J., Capasso F., Sirtori C. et al. Quantum cascade lasers. Intersubband transitions in quantum wells. Physics and device applications // Semiconductors and Semimetals / Ed. by H. Liu, F. Capasso. Academic Press, New York, 2000. Pp. 1 83.

69. Walther C., Fischer M., Scalari G. et al. Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 91, no. 131122.

70. Williams B. S. Terahertz quantum cascade lasers // Nature Photon. 2007. no. 1. P. 517 525.

71. Belkin M., Fan M., Hormoz S. et al. Terahertz quantum cascade lasers with copper metal-metal waveguides operating up to 178 K // Opt. Express. 2008. no. 16. P. 3242 3248.

72. Ryabchun S. A., Tretyakov I. V., Finkel M. I. et al. Fabrication and characterisation of NbN HEB mixers with in situ gold contacts // Proc. 19th international symposium on space terahertz technology. Groningen, Netherlands: 2008. Pp. 62 67.

73. Weinreb S., Wadefalk N. Very Low Noise Amplifiers for Radio Astronomy and Space Communications. IEEE 2005 MTTS Workshop WFF.96. http://www.lownoisefactory.com.97. http://www.eccosorb.com.

74. Goltsman G. N., Vachtomin Y. В., Antipov S. V. et a I. NbN phonon-cooled hot-electron bolometer mixer for terahertz heterodyne receivers // Proc. SPIE, Vol. 5727. 2005. Pp. 95 106.

75. Ryabchun S., Tong C.-Y. E., Blundell R., Gol'tsman G. Stabilization Scheme for Hot-Electron Bolometer Receivers Using Microwave Radiation // IEEE Travsactions on applied superconductivity. Vol. 19, no. 1.

76. Ryabchun S., Tong C.-Y. E., Paine S. et al. Temperature Resolution of an HEB Receiver at 810 GHz // IEEE Travsactions on applied superconductivity. Vol. 19, no. 3.

77. Гонсалес P., Вудс P. Цифровая обработка изображений. Москва: Техносфера, 2006.

78. Тимановский A. JI. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения: Кандидатская диссертация / Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова. 2007.

79. Josephson В. D. Posible new effects in superconducting tunneling // Phys. Rev. B. 1962. Vol. 1. P. 251.

80. Benford D. J., Gaidis M. C., Kooi J. W. Transmission properties of Zitex in the infrared to submillimeter // Proceedings of Tenth International Symposium on Space Terahertz Technology. Charlottesville: 1999. — March. Pp. 405 -413.

81. Lamb J. W. Miscellaneous data on materials for millimeter and submillimeter optics // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1996. Vol. 17, no. 12. Pp. 1997-2033.

82. Allan D. Statistics of Atomic Frequency Standards // Proceedings of IEEE. 1966.-February. Vol. 54, no. 2. Pp. 221-230.