第二章红外探测器(上)

2.1红外探测器的发展及分类1.红外探测器的发展2.分类2.2红外探测器的性能参数2.2.1红外探测器的主要工作条件2.2.2红外探测器的性能参数2.2.3红外探测器性能参数的测量2.3热探测器2.4光子探测器2.5典型的光子探测器第二章红外探测器•意义：红外系统的核心元件原理图红外辐射能转换器电能可测量的物理量（电压、电流及材料的性质变化）红外探测器•红外探测器系统的特点红外探测系统可以无源方式工作与雷达相比：具有结构简单，体积小，重量轻，分辨率高，抗干扰能力强等优点；与可见光设备相比：具有透过烟尘能力强，可昼夜工作等特点。红外探测器作为整个红外探测系统的核心，种类繁多，性能各异，适用于不同的工作领域。1.红外探测器的发展1940195019601970198019902000Tl2SThermaldetectorsPbSPbSeGe:XInSbHgCdTePbSnTeSi:XSi:X/CCDPtSi/CCDHgCdTe/CCDHgCdTeSPRITEInGaAsQWIPBolometerFPAsPyroelectricFPAsTwo-colourFPAsVerylargeFPAsMEMSFPAs早期中期近期空空红外导弹机载红外武器系统焦平面阵列2.1红外探测器的发展及分类红外探测器的研究方向：•提高单元器件的性能(高速宽带响应、低噪声);•增大红外焦平面探测器阵列面积；•提高红外探测系统的灵敏度;•克服系统在光学设计和加工、信号处理和显示等方面的困难，缩小体积、减轻重量，简化系统结构，降低成本;•随着材料、芯片和系统技术的进步，红外探测器将向更多的光谱波段发展，既包括拓宽光谱波段，也包括将光谱波段划分成更为细致的波段，以获得目标的“彩色”热图像，从而更丰富、更精确和更可靠的获取目标信息。•根据工作机理分类：热释电红外探测器热探测器光子探测器温差电偶（堆）热敏电阻气动探测器光电导光伏光磁电光电发射•其他的分类标准：工作温度、响应波长、结构、用途热效应光电效应2.分类2.2红外探测器的性能参数2.2.1红外探测器的主要工作条件（1）入射辐射的光谱分布（单色，黑体，大气和光学系统）（2）电路的频率范围（噪声电压，噪声）（3）工作温度（半导体探测器）（4）光敏面的形状和尺寸（信号和噪声）（5）偏置情况（6）特殊工作条件＊探测器的性能参数与其工作条件密切相关给出性能参数时，必须注明有关工作条件2.2.2红外探测器的性能参数探测器的输出信号S与入射到探测器的辐射功率P之比，称为响应度，记为R。1.响应度（响应率）PSR信号S一般为电压信号或电流信号，对应响应度的单位分别为V/W，A/W表示探测器把红外辐射转换成电信号的能力（2-1）注意：＊在测量响应度时，常用的辐射源为500K黑体，测得的响应度用R0表示；＊如辐射源为单色光（波长为λ），则测得的响应度记为R0λ；＊响应度随调制频率的变化叫做探测器的频率响应。测试时，需注明调制频率、工作温度、光敏面面积、入射的辐射功率2.响应时间τ•物理意义：当探测器受辐射照射时，输出信号上升到稳定值的63%是所需要的时间。•在某一时刻（t=0）以恒定辐射去照射探测器，其输出信号Ut按指数规律上升到一个稳定值U0：00163%ttUUeU（2-2）响应时间τ表征着探测器对辐射响应的快慢，这个参数越小越好。•对于调制频率为f的正弦辐射，交流响应率Rf与直流响应率R0之间有如下关系:02221/2(14)fRRf（2-3）知道τ即可画出探测器的频率响应曲线；由频率响应曲线也可以确定τ的值R0就是直流响应度，当时，21f（2-4）Rf=0.71R0称这时的调制频率为探测器的最高响应频率3.噪声等效功率当辐射在探测器上产生的信号电压正好等于探测器本身的噪声电压值时，所需投射到探测器上的辐射功率称作为探测器的噪声等效功率，即NSEA/NEPP式中，E是投射到探测器光敏面上的辐照度A是探测器光敏面面积S/N是探测器输出信号电压与噪声电压之比（2-5）＊NEP的量纲为W,NEP标志探测器所能探测的最小功率RNNEP由响应度的定义,得PSR•等效噪声功率的另一表达式：（2-6）等效噪声功率NEP与探测器的噪声值N成正比，与探测器的响应度R成反比。NEP越小，探测器性能越好与人们“越大越好”的习惯不符4.探测率•定义：NEP1D（2-7）单位：W-1表示每瓦的辐射功率所能获得的信号噪声电压比大部分探测器的NEP与探测器的面积A的平方根、带宽Δf的平方根成正比。因此，仅用等效噪声的数值很难来比较两个不同来源的探测器的优劣。归一化探测率（星探测率）*1/21/2/,,()()SNDTffDAfAfPD*实际上就是当探测器的敏感元具有单位面积，放大器的测量带宽为1Hz时，单位辐射功率所能获得的信号噪声电压比D*的单位：1/2/cmHzW不足：在量纲中出现了功率的倒数，与实际不符，故在实用中噪声等效功率仍是有用的性能参数。现在人们说探测率，一般就是指归一化探测率（2-8）优点：能对不同敏感面积的同一类探测器进行比较5.探测器的光谱响应探测器的光谱响应是指探测器受到不同波长的光照射时，响应率R随入射辐射波长的变化的情况。探测器的光谱响应（理想曲线）（A)光子探测器（B）热探测器？•热探测器：理论上，对辐射波长是无选择性的单色归一化探测率Dλ*可以写成（理想情况）：Dλ*=Dλ•光子探测器**0ccDD,当λ≤λc,当λ＞λc光子探测器对辐射的波长有选择性，存在着长波限λc。还需注意的问题：•探测器内阻的问题，因为在与放大器连用时，要考虑到阻抗匹配。•探测器的接收面积，因为在与光学系统匹配时必须要考虑到探测器接收面积的大小，一般应使探测器接收面积与光学系统成像大小相同。•探测器的响应度与辐射强度之间是否是线性关系。•探测器接收面上响应度是否均匀。2.2.3红外探测器性能参数的测量1.探测率D*的测量*1/21/2/,,()()SNDTffDAfAfP关键器件及作用1）温度控制器：使得黑体稳定的辐射；2）冷屏：限制黑体表面的红外辐射对探测器的影响，使得探测器只探测到从小孔辐射的红外线；3）调制盘（斩波器）：要求实现简谐调制，有利于放大4）直流电机：要求大范围的调整电机转速时要用直流；交流电的噪声很大，对探测器的影响很大5）前置放大器：低噪声，要求所有电路的噪声小于探测器的噪声；对前置放大器的噪声和放大率要求很高6）噪声电压表：要求带宽很宽，动态范围大，积分时间＊对斩波器的要求:10wRR/0.87Rr实现正弦调制：Rw:旋转中心到光束的距离；R:光束半径，r:斩波器的齿距＊对噪声电压表的要求：1）带宽很宽3(8~10)dBNff2)动态范围大：是整个噪声范围的（4～10）倍3）积分时间：通常把积分时间从最小值开始逐渐增加，直到得到一个稳定的读数214042)(dATTE其中，（表示黑体引起的照度增加量）A1是黑体辐射孔的面积d是黑体辐射孔到探测器光敏面的距离T是黑体温度，500KT0是环境温度2/12/12/1*2)()(/AEfVVfAPNSDNS测量原理：（2-9）12245.6710WcmK－Stefan常数.对实际测试装置，ΔE固定，探测器光敏面面积A由研制者提供，△f可以选择，实际需要测量的就是VS、VN（1）打开黑体温控系统，待其温度稳定后（约半小时），（2）打开斩波器，调整波分析仪的中心频率，使之与斩波器的中心频率相一致；调制频率在480Hz左右,选定Δf,调整波分析仪的通带中心频率使输出电压最强，该电压就是信号电压VS（2）用不透明的室温板遮住黑体辐射孔，输出电压为VN（3）将测量结果代入式（2-9）即求出D*测量程序＊可同时测出响应率KEVRS122K：前置放大器倍数108/WHzcm1/21012/WHzcm1/2不同探测器的归一化探测率随波长的变化量级：2.光谱响应的测量方法•相对响应(()(,)/()(),)VsVpPRVVR()VpRistheresponseofdetectoratthespectralpeakwavelengthistheresponsespectra.()VR测量相对光谱响应的实验装置方框图•响应度或探测率随入射波长的变化光源光谱曲线＋探测器响应曲线关键器件及作用•红外源：Nernst灯的特点：低温时阻值很小，需预热，待温度升高、阻值变大后才能通电且需限流；1～15微米Nernst灯本身辐射的能量和波长有关，所以实际测量时需要测定光源光谱和探测器响应光谱两曲线，以后者除以前者，才能得到探测器的相对光谱响应曲线光源光谱可用对波长无选择的真空热电偶来测得wavelengthresponsivity•单色仪功能：将不同波长的光分出来给探测器特点：信号非常微弱，需要用锁相放大器锁相放大器具有强大的能力从噪声中检测出被掩埋的信号•锁相原理phase-lockedloopfiVdfofoPDVCOPD：phasediscriminator，鉴相器LPF：LowPassFilter，低通滤波器VCO：VoltageControlledOscillator电压控制振荡器锁相环的核心：VCOVCO的核心：变容二极管（varicap）VCO频率受控于电压•锁相过程phase-lockedloopfiVdfofoPDVCO0ddwcfv0,iIfff0ddwcfv0ifIff0,.idfPhaselockedvtfcons反向偏压耗尽区厚度电容•最终锁定结果是PD的两路送入信号频率相等Figure6-10FrequencymultiplyingloopFigure6-10Frequencydividingloop0ifNf0iffN0ifNf0/iffN测量程序﹡Nernst灯预热﹡改变单色仪的输出波长,得到V(λ)﹡利用热电偶或热电堆测量--光源的辐射谱R(λ)﹡V(λ)/R(λ)---响应谱RV(λ)•代表曲线p**/2~2.5PDD峰值波长截止波长c曲线*()/()DR3.响应时间的测量•矩形辐射脉冲法适用条件：红外探测器的时间常数约在50ms～10-2μs之间时，都可用矩形辐射脉冲法进行测量获得矩形脉冲的方法：（1）对响应较慢的探测器可用半圆形调制盘，脉冲上升时间比探测器响应时间短；（2）对响应较快的探测器（响应时间10μs）常用旋转反射镜（脉冲上升与下降时间可低到10-8μs）。•频率响应法适用条件：适用于测量大于10μs的时间常数；测量装置：与探测率的实验装置相同，须用一个变速马达来改变调制频率，并用真空管伏特表来测量输出电压信号随频率的变化在横坐标上取两个适当的频率f1、f2，从纵坐标上得出对应的信号值S1、S2，则器件的响应时间由下式算出：1222122222221112SSfSfSS1、S2必须在相差10%以上，否则误差较大。2.3热探测器•机理利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐射。入射到探测器光敏面的辐射被吸收后，引起响应元的温度升高，响应元材料的某一物理量随之而发生变化。利用不同物理效应可设计出不同类型的热探测器。热探测器也通称为能量探测器辐射→温度变化→材料物理量变化热探测器热电偶（堆）：温差电效应热敏电阻：电阻温度效应热释电：热释电效应气动探测器（Golaycell)•主要类型：1.热敏电阻工作原理：阻值随温度改变而改变温度↑电阻↑正温度系数（P.T.C）金属温度↑电阻↓负温度系数（N.T.C）半导体热敏电阻的灵敏元可是由锰、钴、镍金属氧化物按一定比例混合压制成型，高温烧结而成定义电阻温度系数RdTdR吸收红外辐射热敏电阻的温度升高电阻值变化输出电压改变（工作电路配合）•基本结构工作原理：当热敏薄片的温度升高到使由热传导所损失的热功率等于薄片所吸收的辐射功率时，薄