红外探测器(上) 红外探测器的发展及分类

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
EA NEP S/N
P
（2-5）
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
第二章 红外探测器
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
•意义：红外系统的核心元件
•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:
R0 Rf 2 2 2 1/ 2 (1 4 f )
（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 Rf = 0.71 R0
f
1 2
时， （2-4）
• 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：
U t U 0 1 e 63%U 0
t
（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。
（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 1.响应度（响应率）
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。
S R P
（2-1）
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
•光子探测器
光子探测器对辐射的波长有选择性，存在着长波限λc。
• 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。
2.分类
• 根据工作机理分类： 热探测器
热效应
热敏电阻
红外探测器
光子探测器
光电效应
温差电偶（堆） 热释电 气动探测器
Thermal detectors
1940
Tl2S
空空 红外 导弹
PbS PbSe
1950
Ge:X InSb
1.红外探测器的发展
2.1 红外探测器的发展及分类
早期
1960
HgCdTe PbSnTe Si:X Si:X/CCD PtSi/CCD HgCdTe/CCD HgCdTe SPRITE InGaAs QWIP
D 1 NEP
（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）
现在人们说探测率，一般就是指归一化探测率
D T , f , f D( A f )
机载 红外 武器 系统
1970
中期
1980
1990
Bolometer FPAs Pyroelectric FPAs
焦平面阵列
近期
Two-colour FPAs
2000
Very large FPAs MEMS FPAs
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;
故在实用中噪声等效功率仍是有用的性能参数。
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
＊NEP的量纲为W, NEP标志探测器所能探测的最小功率
•等效噪声功率的另一表达式：
S 由响应度的定义 R , 得 P N NEP R
（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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
与人们“越大越好”的习惯不符
4.探测率
•定义：
红外探测 器
电能
红外辐射能
转换器 可测量的物理量
（电压、电流及 材料的性质变化）
原理图
•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。
表示探测器把红外辐射转换成电信号的能力
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
*
1/ 2
S/N ( A f )1/ 2 P
（2-8）
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
1/ 2 D*的单位：cm Hz / W
优点：能对不同敏感面积的同一类探测器进行比较
不足：在量纲中出现了功率的倒数，与实际不符，
光电发射 光电导 光伏 光磁电
•其他的分类标准：工作温度、响应波长、结构、用途
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
（3）工作温度
（噪声电压，噪声）
（半导体探测器） （信号和噪声）
（4）光敏面的形状和尺寸 （5）偏置情况