红外探测器主要参数定义

红 外 探 测 器
1．量子效率
在某一特定波长上，每秒钟产生的光电子数与入射光子数之比。

对理想的探测器，入射一个光子发射一个电子，1)(=λη。

当然实际上不是所有的光子都可以被吸收，因此1)(<λη。

探测器对波长为λ处的量子效率可以表示为：
hv P e I S //)(=λη 其中S J h .106260755.634-⨯=，是普朗克常数，e 是元电荷。

2. 响应率
输出信号电压S 与输入红外辐射功率P 之比即：
）或（W A W V P S R /)/(=
3. 响应波长范围
单色响应率与波长的关系，称为光谱响应曲线或响应光谱。

热敏型红外
探测器的响应率与波长无关。

光电型红外探测器有峰值波长p λ和长波限c λ。

通常取响应率下降到p λ一半所在的波长为c λ。

光电探测器只有在小于c λ范围有响应，因此称为选择性红外探测器。

对于光子探测器，仅当入射光子的能量大于某一极小值时才能产生光电效应。

就是说，探测器仅对波长小于cλ，或者频率大于的光子才有响应。

因此，光子探测器的响应随波长线性上升，然后到某一截止波长cλ突然下降为零。

而热型探测器响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感，在室温工作。

灵敏度低、响应时间偏长，最快的响应时间也在毫秒量级。

热释电探测器主要应用于被动式的传感器中，主要应用于防盗报警、来客告知等被动探测以及石油化工、电力等行业的温度测量、温度检测等灵敏度不是很高的场合。

此外，热释电材料是还是制备非制冷红外成像设备的重要材料。

常见红外光子探测器及响应波段
4.噪声
如果测量探测器输出的电子系统有足够大的放大倍数，即使没有入射辐射。

也可以看到一些毫无规律的电压起伏,它的均方根称为噪声电压N，此噪声来源于探测器中的某些基本的物理过程。

探测器的噪声主要有以下几个来源：f/1噪声(闪烁噪声)，暗电流噪声(热噪声)以及光电流噪声。

f/1噪声为低频噪声，在AlGaAs
GaAs/QWIP中的影响很小，不是主要的制约因素。

制约器件性能的主要因素是暗电流噪声和光子噪声，即载流
子无规则的热运动造成的噪声。

当温度在绝对零度以上，由于电荷载流子的热运动，所有电阻都有热噪声。

可通过减小电阻、带宽或者温度的方法降低热噪声。

由于热噪声与绝对温度的平方根成正比，所以可以用降低温度的方法降低。

例如，将某种电阻的温度由室温（298K）降低到液态氮的温度（77K），热噪声下降50%。

如前所述，QWIP的探测率的限制因素来源于两个方面，一是探测器本身的暗电流噪声，二是照射到探测器表面的背景光子涨落（光电子噪声）。

在温度高于背景限制温度（
T）时，暗电流噪声占主导作用，此时QWIP工
BLIP
作于器件噪声限制模式。

当工作温度低于
T时，由背景光子涨落引起的光
BLIP
电流噪声占主导地位，此刻QWIP工作于背景噪声限制（BLIP）模式。

探测器在BLIP模式下工作时，具有最大的探测率，故而我们总是试图增加器件的
T。

BLIP
5．信噪比
信噪比，即SNR（Signal to Noise Ratio），指入射辐射所产生的信号输出电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。

一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小。

设入射功率产生的信号输出电压为S，噪声电压为N，则
SNR＝S/N (dB)
注：dB(Decibel，分贝)是一个纯计数单位，本意是表示两个量的比值大小，没有单位。

在电子工程领域，放大器增益使用的就是dB（分贝）。

放大器输出与输入的比值为放大倍数，单位是“倍”，如10倍放大器，100倍放大器。

当改用“分贝”做单位时，放大倍数就称之为增益，这是一个概念的两种称呼。

电学中分贝与放大倍数的转换关系为：
A(V)(dB)=20lg(Vo/Vi)；电压增益
A(I)(dB)=20lg(Io/Ii)；电流增益
Ap(dB)=10lg(Po/Pi)；功率增益
使用分贝做单位主要有三大好处:
（1）数值变小，读写方便。

电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚至几十万，一台收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出，一共要放大2万倍左右。

用分贝表示先取个对数，数值就小得多。

（2）运算方便。

放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。

用分贝做单位时，总增益就是相加。

若某功放前级是100倍(20dB)，后级是20倍(13dB)，那么总功率放大倍数是100×20=2000倍，总增益为20dB＋13dB=33dB。

（3）符合听感，估算方便。

人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。

例如，当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时，听到的声音就响了很多；而从1瓦增强到2瓦时，响度就差不太多；再从10瓦增强到11瓦时，没有人能听出响度的差别来。

如果用功率的绝对值表示都是1瓦，而用增益表示分别为10.4dB，3dB和0.4dB，这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。

分贝数值中，－3dB和0dB两个点是必须了解的。

－3dB也叫半功率点或截止频率点。

这时功率是正常时的一半，电压或电流是正常时的1/√2。

在电声系统中，±3dB的差别被认为不会影响总特性。

所以各种设备指标，如频率范围，输出电平等，不加说明的话都可能有±3dB的出入。

功率：10lg(1/2) (dB)=-3
电流/电流：20lg(1/√2) (dB)=-3
例子：收音机的频响10Hz～40kHz，就是表示在这段频率中，输出幅度不会超过±3dB，也就是说在10Hz和40kHz这二个端点频率上，输出电压幅度只有中间频率段的0.707(1/√2)倍了。

0dB表示输出与输入或两个比较信号一样大。

6．响应率
输出信号电压S 与输入红外辐射功率P 之比：
R=S/P （v/w ）
7．噪声等效功率
当入射辐射所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压时，这时的入射辐射功率称为噪声等效功率NE P （NEP) 。

设入射功率为P ，噪声电压为 N ，由于S=N ，则
)(/w R N N
S P P P NE === 等效噪声功率可以反映探测器的探测能力，但不等于系统无法探测到强度弱于等效噪声功率的辐射信号。

如果采取相关接收技术，即使入射功率小于等效噪声功率，由于信号是相关的，噪声是不相关的，也是可以将信号检测出来的，但是这种检测是以增加检测时间为代价的。

另外，强度等于等效噪声功率的辐射信号，系统并不能可靠地探测到。

在设计系统时通常要求最 小可探测功率数倍于等效噪声功率，以保证探测系统有较高的探测概率。

注：噪声等效功率越小越好
8. 探测率（D ）
NE
P D 1= 注：探测率越大越好
9. 比探测率（*D ）
探测器的噪声等效功率与探测器的面积A 有关。

因而不能用它比较不同面积的探测器的优劣。

通过分析，大多数红外探测器的噪声等效功率A P NE ∝。

考虑到带宽，则f A P NE ∆∝。

为了比较不同来源的红外探测器，制定了规一化的探测率*
D 。

)/.(21*w Hz cm f A N R f A P N S P f
A D NE ∆=∆=∆=
的物理意义可理解为1w 辐射功率入射到光敏面积12cm 的探测器上，
并用带宽为1Hz 的电路测量所得的信噪比。

是归一化的探测率，称为比探测率，读作D 星。

用来比较两个探测器的优劣，可避免探测器面积或测量带宽不同对测量结果的影响。

比探测率和前面介绍的探测率定义上是有区别的，但由于探测率未对面积、带宽归一化，确实没有多大实用意义，一般文献报告中都不把称之为“比探测率”，而是称为“探测率”，这只 是种约定俗成的做法。

10. 响应时间
当一定功率的辐射突然照射到探测器上时，探测器输出信号要经过一定时间才能上升到与这一辐射功率相对应的稳定值。

当辐射突然去除时，输出 信号也要经过一定时间才能下降到之前的值。

这种上升或下降所需的时间叫探测器的响应时间，或时间常数。

11． 噪声等效温差（NETD ）
评价热成像系统探测目标灵敏和噪声的一个客观参数。

它的定义为：热成像系统信噪比（SNR ）为1，探测目标与背景的温差。

热成像的这个参数可以直接由示波器与表计进行客观测量，从而排除了观察人员的主观因素。

NETD 即为民用热像仪通常用来表述其温度分辨率的技术指标。

12. HgCdTe与QWIP的比较。