红外探测器(上) 红外探测器的发展及分类
红外探测器
温差电偶和温差电堆的原理性结构如下图所示
❖ 热电偶型红外探测器的时间常数较大，所以响应时间较长， 动态特性较差，北侧辐射变化频率一般应在10HZ以下。
❖ 在实际应用中，往往将几个热偶串联起来组成热电堆来检 测红外辐射的强弱
v R(T)--电阻值 v T--温度 v A,C,D--随材料而变化的常数
v 金属热敏电阻，电阻温度 系数为正，绝对值比半导 体小，电阻与温度的关系 基本上是线性的，耐高温 能力较强，多用于温度的 模拟测量。
v 半导体热敏电阻恰恰相反， 用于辐射探测，如报警、 防火系统、热辐射体搜索 和跟踪。
v 常见的是NTC型热敏电阻.
热电偶型红外探测器
❖ 热电偶也叫温差电偶，是最早出现的一种热电探测器件， 其工作原理是热电效应。由两种不同的导体材料构成的接 点，在接点处可产生电动势。热电偶接收辐射的一端称为 热端，另一端称为冷端。
❖ 热电效应:如果把这两种不同的导体材料接成回路，当两 个接头处温度不同时，回路中即产生电流。
❖ 为提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔构成热电偶的 材料，既可以是金属，也可以是半导体。在结构上既可以 是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光刻技 术制成的薄膜
❖ 由于自由电荷中和面束缚电荷所需时间较长，大约需要数 秒钟以上，而晶体自发
❖ 极化的驰豫时间很短，约为10-12秒，因此热释电晶体可响 应快速的温度变化.
高莱气动型ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ测器
v 高莱气动型探测器又称高莱(Golay) 管，是高莱于1947年发明的。它 是利用气体吸收红外辐射能量后， 温度升高、体积增大的特性，来 反映红外辐射的强弱。其结构原 理如下图所示:
红外探测器的发展
红外技术发展的先导是红外探测器的发展，一个国家红外探测器的技术水平代表着其红外技术发展的水平。
最早的红外探测器是1800年英国天文学家威廉·赫歇耳发明的水银温度计，随后发明了热电偶、热电堆，1880年美国的Langley发明了测热辐射计。
最初的红外探测器主要是热电探测器，直至1917年Case研制出第一只硫化铊光电导探测器，这种探测器比热电探测器灵敏度高，响应也快。
第二次世界大战，人们认识到了红外技术在军事应用中的巨大潜力，开始对红外技术极为重视，寻找新的材料和制作方法。
19世纪40年代初，以PbS为代表的光电型红外探测器问世，随后又出现了硒化铅、碲化铅探测器。
二次大战后，半导体技术的发展推动了红外探测技术的发展，先后出现了InSb、HgCdTe、掺杂Si、PtSi。
InSb的灵敏度较高，但是带隙只有0.22eV，所以只能探测低于5.6μm。
PtSi由于它的高均匀性和可生产性，可以做成大的焦平面阵列,但是其截至波长为5.7μm，也只能用于中短波范围，而且量子效率很低。
同时InSb和PtSi都没有波长可调性和多色探测能力。
掺杂Si有很宽的光谱带宽，但是也不具备波长可调性，而且必须工作在很低的温度。
1959年Lawso研制出碲镉汞（HgxCd1-xTe）的长波长红外探测器，这是红外技术史上的一次重要进展。
它是目前性能最好，也是最广泛应用的II－VI 族红外探测器。
它是利用带间吸收，因此具有极高的探测率和量子效率。
通过调节Hg的组分x可以实现带隙从0-0.8eV的连续可调。
因此它所能探测的波长范围覆盖了中波红外（3-5μm）和长波红外（8-14μm）两个波段。
而利用MBE生长的III－V族材料体系制成的量子阱材料正好可以弥补碲镉汞方面的不足，III－V族材料生长、器件制作工艺成熟，适于制作大面阵探测器。
同时III－V族材料组分容易控制和调节，通过调节化合物的组分，可以比较容易的改变量子阱的阱宽、垒高等参数，进而可以调节探测波长。
红外探测技术的应用及发展
红外探测技术的应用及发展红外探测技术是指利用红外辐射进行探测的技术。
红外辐射是一种波长长于可见光、但又短于微波的电磁辐射，它的特点是能够穿透雾霾、烟尘、冷、黑暗等环境，并且能够“看透”墙壁、土壤等一些不透明的物质。
红外探测技术在军事、安防、医疗、环境监测、工业检测等领域有广泛的应用。
本文将从这些方面展开讨论红外探测技术的应用及发展。
一、军事领域红外探测技术在军事领域的应用是最早的，也是最广泛且深入的。
红外成像系统可以探测到敌方的红外辐射，包括敌方的各种装备、人员和机动装置等。
通过红外成像系统，军方可以在战场上实时监测敌方的动态，提早获得情报并制定应对措施。
红外探测技术还可以用于导弹制导、无人机监测、夜视仪等方面的应用，提高军方对战场的战术优势。
二、安防领域红外探测技术在安防领域的应用也非常广泛。
红外监控设备可以在光线较暗或者完全黑暗的环境下实时监测到人员或者物体的活动信息，并及时报警。
这些设备可以用于监控大型建筑物、重要设施、银行、监狱、机场、地铁等场所，确保这些重要场所的安全。
红外探测技术还可以用于人脸识别、指纹识别、虹膜识别等生物识别技术中，提高安防系统的准确性和可靠性。
三、医疗领域红外成像技术在医疗领域的应用很广泛。
红外热像仪可以检测到人体表面的温度分布，进而识别出问题部位。
这对于诊断疾病、监测疗效、判断受伤程度等方面都有很大帮助。
红外探测技术还可以用于手术中的定位和导航，提高手术的精确性和安全性。
红外探测技术还在医学影像领域得到了广泛应用，比如红外显影等技术，可以更清晰地显示出人体内部的结构。
四、环境监测领域红外探测技术在环境监测领域的应用也得到了广泛的推广。
红外辐射可以检测出大气中的污染物，比如二氧化碳、甲烷等，用于监测大气质量和气候变化。
红外探测技术还可以用于水质监测、土壤质量检测等方面，对于环境保护和农业发展具有重要意义。
五、工业检测领域红外探测技术在工业检测领域也有重要的应用。
红外成像技术可以监测机械设备的运行状态，及时发现异常情况并进行维修保养。
红外探测器
红外探测器1 红外探测器应用发展红外探测器由于诸多特点在军用和民用领域都取得了广泛的应用，红外探测器在红外系统中起着至关重要的作用。
简述国内外红外探测器部分最新的研究成果和动态，关于红外成像技术发展，讨论红红外探测器应用中的一些新技术、发展重点和难点，对以后一段时期内的红外探测器发展及其市场前景进行展望。
2 红外探测器应用背景红外探测器具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点，在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用。
在军事上，包括对军事目标的搜索、观瞄、侦察、探测、识别与跟踪；对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪；红外探测器的精确制导；武器平台的驾驶、导航；探测隐身武器系统，进行光电对抗等。
在民用领域，在工业、遥感、医学、消费电子、测试计量和科学研究等许多方面也得到广泛应用。
目前国外红外成像器件已发展到了智能灵巧型的第四代，在光电材料、生产工艺及系统应用等方面都取得了丰硕的成果，但是国内红外相关技术研究与生产起步较晚，并且受工业基础制约，发展远滞后于国外，而市场需求却持续强劲，无论在军用还是民用领域都有巨大的发展空间。
3 红外探测器现状分析从第一代红外探测器至今已有40余年历史，按照其特点可分为四代：第一代（1970s-80s）主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；第二代（1990s-2000s）是以4×288为代表的扫描型焦平面；第三代是凝视型焦平面；目前正在发展的可称为第四代，以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型系统级芯片为主要特点，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段融合探测与识别能力。
在红外探测器发展过程中，新材料、新工艺、新器件、新方法不断涌现，按工作环境可分为致冷型和非致冷型两大类。
3.1 高性能致冷型红外探测器此类器件需要在低温下（77K）工作，相比非致冷器件成像质量优异、探测灵敏度高，通常又可分为传统型和量子阱焦平面探测器。
红外探测器概述
第二章红外探测器概述Chapter 1. Outlines of infrared detector1.1红外探测器的物理基础Physical basis of infrared detector本讲的主要内容:1.了解红外探测器的分类；2.了解大气窗口的基本知识；3.理解各类红外探测器的基本原理；4.掌握光子探测器和热探测器的特点。
红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，是红外系统的核心部分。
红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波（电磁辐射），其短波方面的界限决定于人眼的视感，一般定为0.75微米；长波方面的界限，尚无定论。
人眼察觉不到。
要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。
一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。
现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。
这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。
一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。
此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。
有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。
按所利用的效应，红外探测器可分成三大类：热敏（型）红外探测器，光子（型）（或光电型）红外探测器和整流(型)红外探测器。
1. 简史（History）1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。
当时，他使用的是水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。
1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应(也称塞贝克效应)，制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器。
称作温差电型红外探测器(也称真空温差电偶)。
其后，又从单个温差电偶发展成多个电偶串联的温差电堆。
1880年，S.P.兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种热敏型红外探测器,称为测辐射热计。
1947年,M.J.E.高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器（又称高莱管）。
红外探测技术的应用及发展
红外探测技术的应用及发展红外探测技术是一种利用物体发出的红外辐射进行探测和测量的技术，广泛应用于军事、安防、医疗、环境监测等领域。
随着科技的不断发展，红外探测技术也在不断创新和发展，应用范围越来越广泛。
红外探测技术在军事领域具有重要应用。
红外探测技术可以用于军事情报收集、目标探测及追踪、导弹导航制导、夜视仪器等军事装备的研制。
在敌我辨识系统中，红外探测技术可以通过识别目标的红外辐射特征，实现对敌方目标的辨识和跟踪，提高战争的胜算。
红外探测技术在安防领域具有广泛应用。
目前，许多安防系统都采用了红外探测技术，如红外感应器、红外摄像机等。
这些设备可以通过探测红外辐射来实现入侵报警、监控摄像等功能。
红外探测技术在安防领域的应用，极大地提高了安全性能，成为现代社会不可或缺的一部分。
红外探测技术在医疗领域也有重要应用。
红外辐射可以穿透人体，通过红外探测技术可以实现对人体内部的温度、血液循环、代谢活动等进行监测和诊断。
这对于一些需要定期监测身体状态的患者和康复者来说，是一种非侵入性、快速、方便的监测手段。
红外探测技术在环境监测中也有着广泛的应用。
红外辐射可以用于气象观测、环境污染监测、海洋资源勘测等方面。
在大气污染监测中，红外探测技术可以检测并分析大气中的污染物，帮助环保部门及时采取措施，改善环境质量。
红外探测技术在应用中也在不断发展。
目前，红外探测器件的灵敏度、分辨率、响应速度等性能得到了大幅提升，使得红外探测技术的应用更加精确和可靠。
红外成像技术的应用也日益增多，红外相机的分辨率不断提高，可以实现对更大范围的目标进行高精度的红外成像。
随着红外技术的广泛应用，也带来了一些新的问题和挑战。
红外探测技术对环境温度、湿度等因素非常敏感，这可能导致探测结果的误差。
红外探测技术在一些特殊环境下的应用也受到限制，例如在高温、高湿度、低温等极端环境中，探测性能可能会受到影响。
红外探测技术在各个领域的应用广泛，发展迅速。
随着红外技术的不断创新和突破，相信红外探测技术将在未来的发展中发挥更大的作用。
简述红外探测器的类型及工作原理、性能参数及其物理含义、工作的三个大气窗口的波长范围
2.简述红外探测器的类型（1）及各自的工作原理（2）、红外探测器的性能参数及其物理含义（3）、红外探测器工作的三个大气窗口的波长范围（4）、热绝缘结构的热探测机理的红外探测器设计中的重要性（5）。
（1）红外探测器的类型常见的红外探测器的分类（红外热传感器还要加上气体型）（2）各自工作原理一、热传感器红外热传感器的工作是利用辐射热效应。
探测器件接收辐射能后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，从而输出电信号。
热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。
1.热敏电阻型热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。
热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻片上，其温度升高，电阻值减小。
测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。
2.热电偶型热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料（如铋/银、铜/康铜、铋/铋锡合金等）构成。
原理：当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时，该接点温度升高，而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流，同时回路中产生温差电势。
温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。
3.气体型高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。
红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高。
气压增大，从而使柔镜移动。
在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。
当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变。
这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。
这种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。
4.热释电型热释电型传感器用具有热释电效应的材料制作的敏感元件。
热释电材料是一种具有自发极化特性的晶体材料。
红外传感器分类工作原理及发展应用前景
一、红外传感器概述将红外辐射能转换成电能的光敏元件称为红外传感器，也常称为红外探测器。
红外传感器是利用物体产生红外辐射的特性，实现自动检测的传感器。
在物理学中，我们已经知道可见光、不可见光、红外光及无线电等都是电磁波，其中红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。
任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。
红外传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。
红外技术是在最近几十年中发展起来的一门新兴技术。
它常用于无接触温度测量、气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。
(一)红外辐射的产生红外辐射是由于物体(固体、液体和气体)内部分子的转动及振动而产生的。
这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度(-273.16℃)时，一切物体的分子才会停止运动。
所以在绝对零度时，没有一种物体会发射红外线。
换言之，在一般的常温下，所有的物体都是红外辐射的发射源。
例如火焰、轴承、汽车、飞机、动植物甚至人体等都是红外辐射源。
红外线和所有的电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉及吸收等性质，但它的特点是热效应非常大，红外线在真空中传播的速度3×108m／s，而在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用使它产生衰减。
红外线的衰减遵循如下规律0*e^()。
式中，I为通过厚度为x的介质后的通量；I0为射到介质时的通量；e为自然对数的底；K为与介质性质有关的常数。
金属对红外辐射衰减非常大，一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大，例如厚l()的水对红外线的透明度很小，当厚度达到时，水对红外线几乎完全不透明了；气体对红外辐射也有不同程度的吸收，例如大气(含水蒸汽、二氧化碳、臭氧、甲烷等)就存在不同程度的吸收，它对波长为1～5µm，8～14µm之间的红外线是比较透明的，对其他波长的透明度就差了。
红外探测器的介绍
红外探测器的分类方式
按工作方式可分为主动式红外探 测器和被动式红外探测器。
红外探测器的分类方式
红外探测器按探测范围来分，又 可分为点控红外探测器、线控红 外探测器、面控红外探测器和空 间防范红外探测器。
过渡
除了以上区分以外，还有其 他方式的划分。在实际应用 中，根据使用情况不同，合 理选择不同防范类型的红外 探测器，才能满足不同的安 全防范要求。
朗鑫安防
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布局图示
红外的选购
根据实际现场环境和用户的安全防范 要求，合理的选择和安装各种红外探 测器，才能较好的达到安全防范的目 的。当选择和安装红外探测器不合适 时，有可能出现安全防范的漏洞，达 不到安全防范的严密性，给入侵者造 成可乘之机，从而给安全防范工作带 来不应有的损失。
红外的选购
红外探测器作为传感探测装置，用来 探测入侵者的入侵行为及各种异常情 况。在各种各样的智能建筑和普通建 筑物中需要安全防范的场所很多。这 些场所根据实际情况也有各种各样的 安全防范目的和要求。因此，就需要 各种各样的红外探测器，以满足不同 的安全防范要求。
红外探测器的介绍
前言
红外探测器英文名Infrared Detector，商品买卖中，人们又叫红外报 警器，随着人们安防意识的增强，现代化安防越来越离不开它。
目录
红外探测选购
红外探测器的分类方式
按工作原理主要可分为红外烟雾 探测器、被动式红外/微波红外 探测器、玻璃破碎红外探测器、 振动红外探测器、磁控开关红外 探测器、开关红外探测器、声音 探测器等许多种类。
红外探测技术的应用及发展
红外探测技术的应用及发展红外探测技术是利用物体的红外辐射特征来获取目标信息的一种技术。
它广泛应用于军事、安防、医疗、工业等领域。
在红外探测技术的发展过程中，从初期的单光束红外辐射测温仪器到现在的红外成像系统，其应用领域和技术性能都有了显著的提升。
在军事领域，红外探测技术被广泛用于导弹、无人机、战机、坦克等武器装备的瞄准、探测和导航系统中。
它可以实时监测和追踪敌方目标，提高武器系统的精确打击能力，增强战斗力。
在安防领域，红外探测技术被应用于监控和防盗系统中。
红外摄像机能够实时监测区域内的温度变化，并通过红外图像识别技术进行目标识别和跟踪，从而实现对潜在威胁的及时预警和防范。
红外探测技术还被应用于火灾预防和报警系统中，可以及时发现火源和烟雾，减少火灾的发生和损失。
在医疗领域，红外探测技术被应用于体温测量、疾病诊断和手术导航等方面。
通过红外成像仪器可以快速、无接触地测量人体表面的温度，用于发现体温异常或热源。
红外成像技术可以通过对人体表面热分布的分析，辅助医生进行疾病诊断和治疗。
而在手术导航方面，红外探测技术可以用来识别和定位人体内部组织结构，帮助医生进行手术操作。
在工业领域，红外探测技术被应用于工业生产过程的监测和控制。
通过红外测温仪器可以实时测量和监测工业生产过程中的物体温度，帮助工程师进行质量控制和故障检测。
红外辐射成像技术还可以通过对目标表面的红外分布图像进行分析，实现对材料的非接触式缺陷检测和质量评估。
随着科技的不断进步，红外探测技术也在不断发展。
目前，红外成像技术已经发展到高清晰度和高灵敏度的水平，成像质量和图像分辨率得到了显著提高。
红外探测器件的制造技术也在不断改进，红外成像设备的尺寸和重量得到了大幅度的减小。
这些技术的突破和创新为红外探测技术的应用提供了更广阔的发展空间。
红外对射的发展和分类
廿年对射话发展上海安盾电子有限公司李松周界防范作为治安防范措施的技防手段之一，是我们未雨绸缪的第一道急需的防线。
主动红外探测器作为一种周界防范报警应用的无形电子围栏(Intangible-Electric-Fences)，业界常简称为“主动红外”、“红外对射”。
主动红外探测器自90年代初期开始进入国内安防市场，其市场发展历程已经有20多年，因其优越的性价比和技术的不断更新换代，此类产品目前仍是国内外周界安防应用市场的最主要产品。
上海安盾电子有限公司作为国内优质红外对射探测器专业供应商，有十几年的历史，亲身经历的各代对射产品的发展历程。
主动红外探测器全名叫“光束遮断式感应器”(Photo-electric-Beam-Detector)，总是一个发射端(Transmitter)和一个接收端(Receiver)成对使用，基本构造如下图。
其侦测原理乃是发射端利用红外光发射二极体主动产生一束或多束人眼无法看到的脉冲红外线，再经光学镜面做聚焦处理使光线传至远端的受光器接受，形成警戒线，当光线被遮断时就会发出警报。
由于红外线是扩散性传播，能量不易集中，一般探测器侦测范围不超过300米。
主动红外探测器的形式分类依据红外线发射形式及功能可分成以下几种：⏹单光束对射型（Single-Beam）单束红外线遮断即报警，较易误报，多用于5-20米以内的室内外较单纯的安装环境。
典型产品如上世纪90年代早期的ALEPH公司的HA-10SI 等⏹双光束对射型(Twin-Beam)利用光学机构形成两束红外光，必须同时遮断才报警，光束间距较小，成本低，室外探测距离为20-100米。
典型产品如2003年以前的ALEPH公司的HA/ABT系列、SELCO的SBT系列⏹独立双束光对射型（大口径双光束对射型）(Independent -Twin-Beam）由两组独立的单光束机构组成的双光束探测器，具有两组收发头，能量强度是双倍，光束间距在100厘米以上，比一般双光束产品稳定，适用于民用场所的复杂环境，探测距离在30-150左右。
红外探测器简介
红外探测器设计研发部-平一、红外探测器市场以及应用领域红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。
其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟；远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。
近红外，由于其包含氢氧键、碳氢键、碳氧键等功能键的特征吸收线。
大气中的水气、二氧化碳、大气辉光等也集中在这个波段。
特有的光谱特性使得短波红外探测器可以在全球气候监测、国土资源监测、天文观测、空间遥感和国防等领域发挥重大作用。
红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探测器在精确制导、瞄准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。
随着红外探测技术的飞速发展，红外探测器在军事、民用等诸多领域都有着日益广泛的应用。
作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。
小型红外探测器是受价格驱动的商品市场，而中型和大型阵列探测器则是受成本和性能驱动的市场，并且为新产品提供了差异化的空间。
但是在每种红外探测器技术（如热电/热电偶/微测辐射热计）之间存在着巨大的障碍。
由于这些技术都是基于不同的制造工艺，如果没有企业合并或收购，很难从一种技术转换到另外一种技术。
红外探测器已进入居民日常安防中，其中主动式红外探测器遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。
主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防，现在已经从最初的单光束发展到多光束，而且还可以双发双收，最大限度地降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。
据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有望在2020年达到163. 5亿美元，复合年均增长率为7. 71%。
红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。
红外探测器知识
第三章 红外探测器3．1 红外探测器特性参数3．1．1 红外探测器分类红外探测器是一种辐射能转换器,主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能、热能等其他形式的能量;根据能量转换方式,红外探测器可分为热探测器和光子探测器两大类;热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化,而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应,具体表现为探测器响应元自由载流子即电子和/或空穴数目的变化;由于这种变化是由入射光子数的变化引起的,光子探测器的响应正比于吸收的光子数;而热探测器的响应正比与所吸收的能量;热探测器的换能过程包括：热阻效应、热伏效应、热气动效应和热释电效应;光子探测器的换能过程包括：光生伏特效应、光电导效应、光电磁效应和光发射效应;各种光子探测器、热探测器的作用机理虽然各有不同,但其基本特性都可用等效噪声功率或探测率、响应率、光谱响应、响应时间等参数来描述;3．1．2 等效噪声功率和探测率我们将探测器输出信号等于探测器噪声时,入射到探测器上的辐射功率定义为等效噪声功率,单位为瓦;由于信噪比为1时功率测量不太方便,可以在高信号电平下测量,再根据下式计算：n s n s d V V P V V HA NEP //==其中 H ：辐照度,单位2/cm W ；d A ： 探测器光敏面面积,单位2cm ；s V ： 信号电压基波的均方根值,单位V ；n V ： 噪声电压均方根值,单位V ；由于探测器响应与辐射的调制频率有关,测量等效噪声功率时,黑体辐射源发出的辐射经调制盘调制后,照射到探测器光敏面上,辐射强度按固定频率作正弦变化;探测器输出信号滤除高次谐波后,用均方根电压表测量基波的有效值;必须指出：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和较低的虚警率;辐射测量系统由于有较高的测量精度要求,对弱信号也要求有一定的信噪比;等效噪声功率被用来度量探测器的探测能力,但是等效噪声功率最小的探测器的探测能力却是最好的,很多人不习惯这样的表示方法;Jones 建议用等效噪声功率的倒数表示探测能力,称为探测率,这样较好的探测器有较高的探测率;因此,探测率可表达为：NEP D 1探测器的探测率与测量条件有关,包括：－入射辐射波长；－探测器温度；－调制频率；－探测器偏流；－探测器面积；－测量探测器噪声电路的带宽；－光学视场外热背景;为了对不同测试条件下测得的探测率进行比较,应尽量将测试条件标准化;采取的做法是：－辐射波长、探测器温度由于探测率和波长之间,探测率和探测器温度之间,在理论上无明显关系,波长和制冷温度只能在测量条件中加以说明;－辐射调制频率解决探测率随调制频率变化的最简单的方法是将频率选得足够低,以避开探测器时间常数带来的限制; 或注明调制频率;－探测器偏流: 一般调到使探测率最大;－探测器面积和测量电路带宽广泛的理论和实验研究表明,有理由假定探测器输出的信噪比与探测器面积的平方根成正比,即认为探测率与探测器面积的平方根成反比;探测器输出噪声包含各种频率成分,显然,噪声电压是测量电路带宽的函数;由于探测器总噪声功率谱在中频段较为平坦,可认为测得的噪声电压只与测量电路带宽的平方根成正比,即探测率与测量电路带宽的平方根成反比;一次,可定义：NEP f A f A D D d d 2/12/1*)()(∆=∆= 单位：12/1-⋅⋅W Hz cm Jones*D 的物理意义可理解为1瓦辐射功率入射到光敏面积1厘米2的探测器上,并用带宽为1赫电路测量所得的信噪比;*D 是归一化的探测率,称为比探测率,读作D 星;用*D 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*D 称之为“比探测率”,而是称为“探测率”,这只是一种约定俗成的做法;3．1．3 单色探测率和D 双星1）黑体探测率和单色探测率测量*D 时如采用黑体辐射源,测得的*D 称为黑体*D ,有时写作bb D *;为了进一步明确测量条件,黑体*D 后面括号中要注明黑体温度和调制频率;如)800,500(*K D bb 表示是对500K 黑体,调制频率为800Hz 所测得的*D 值;测量时如用单色辐射源,测得的探测率为单色探测率,写作λ*D ;2）D 双星背景辐射对红外探测器至关重要,为了减少光学视场外热背景如腔体无规则辐射在探测器上产生的噪声,往往在探测器外加一个冷屏;从探测器中心向冷屏孔的张角叫探测器视角;设置冷屏能有效地减少了背景光子通量,增加探测率;但是这并不意味探测器本身性能的提高,而是探测器视角的减小;而视角减小将影响光学系统的聚光能力;可定义D 双星,对探测器视角进行归一化处理;*2/1**D D ⎪⎭⎫ ⎝⎛Ω=π 单位：12/1-⋅⋅W Hz cm式中：Ω为探测器通过冷屏套所观察到的立体角,π是半球立体角;未加冷屏时,探测器在整个半球接收光子,π=Ω,**D 等于*D ;D 双星实际上是将测得的探测率折算为半球背景下的探测率,这样可真实反映探测器本身的探测性能;D 双星对红外探测器研制者有指导意义,在工程中不常使用;制造商提供的红外探测器的探测率通常是指含冷屏的探测器组件的探测率;使用者只须注意探测器的视角是否会限制光学系统的孔径角,以及冷屏的屏蔽效率;3．1．4 背景噪声对探测率的限制光子探测器和热探测器比探测率的最终极限将受背景噪声的限制;对于光电导型探测器,*D 的理论极大值为：2/1182/1*1052.22⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=b b Q Q hc D ηληλλ式中：h 为普朗克常数,c 为光速,λ为波长微米,η为量子效率,b Q 为入射到探测器上的半球背景光子辐射发射量;对于光伏探测器,由于没有复合噪声,上式应乘2,即2/118*1056.3⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=b Q D ηλλ光子探测器已有不少接近背景限对于热探测器,背景辐射的起伏将引起探测器温度的起伏,并且探测器本身辐射也将引起统计性温度起伏;如果信号辐射引起的温度变化低于这两种温度起伏,就探测不到信号辐射;温度起伏也是一种噪声,受温度噪声限制的热探测器的等效噪声功率为：式中：G 为响应元与周围环境的热导;在300K 时,如响应元面积1mm 2,带宽1Hz, *D 极限值为：目前,热敏电阻探测器由于受1/f 噪声和电阻热噪声的限制,其探测率与极限值尚差两个数量级;但是对热释电探测器来说,由于它不是电阻性器件而是可看作电容性器件,不受热噪声限制,电流噪声也较小,因此它的探测率与极限值相差已不到一个数量级;3．1．5 响应率响应率等于单位辐射功率入射到探测器上产生的信号输出;响应率一般以电压形式表示;对以电流方式输出的探测器,如输出短路电流的光伏探测器,也可用电流形式表示;电压响应率 PV HA V R s d s V == 单位为W V /; 电流响应率 P I HA I R s d s i == 单位为W A /;因为测量响应率时是不管噪声大小的,可不注明只与噪声有关的电路带宽;响应率与探测器的响应速度有关,光子探测器的频率响应特性如同一个低通滤波器;在低频段响应较为平坦,超过转角频率后响应明显下降;一般均在低频下测量响应率,以消除调制频率的影响;表面上看,只要探测率足够高,探测器输出有足够的信噪比,信号较弱是可以用电路放大的方法弥补的;实际上响应率过低,就必须提高前置放大器的放大倍率,高倍率的前置放大器会引入更多噪声,如选用探测率较低但响应率高的探测器,系统的探测性能可能更好一些;因此,对系统设计者来说,探测器的响应率和探测率是同样值得关注的;3．1．6光谱响应探测器的光谱响应是指探测器受不同波长的光照射时,其R 、*D 随波长变化的情况;设照射的是波长为λ的单色光,测得的R 、*D 可用λR 、*λD 表示,称为单色响应率和单色比探测率,或称为光谱响应率和光谱比探测率;如果在某一波长p λ处,响应率、探测器达到峰值,则p λ称为峰值波长,而λR 、*λD 分别称为峰值响应率和峰值比探测率;此时的*D 可记做),(*f D p λ,注明的是峰值波长和调制频率,而黑体比探测率),(*f T D bb 注明黑体温度和调制频率;如以横坐标表示波长,纵坐标为光谱响应率,则光谱响应曲线表示每单位波长间隔内恒定辐射功率产生的信号电压;有时纵坐标也可表示为对峰值响应归一化的相对响应;光子探测器和热探测器的光谱响应曲线是不同的,理想情况如图所示;热探测器的响应只与吸收的辐射功率有关,而与波长无关,因为其温度的变化只取决于吸收的能量;对于光子探测器,仅当入射光子的能量大于某一极小值c h ν时才能产生光电效应;也就是说,探测器仅对波长小于c λ,或者频率大于c ν的光子才有响应; 光子探测器的光谱响应正比于入射的光子数,由于光子能量与波长λ成正比,在单位波长间隔内辐射功率不变的前提下,入射光子数同样与波长成正比;因此,光子探测器的响应响应随波长λ线性上升,然后到某一截止波长c λ突然下降为零;理想情况下,光子探测器的光谱比探测率*λD 可写成：当 c λλ≤ **c cD D λλλλ= 当 c λλ> 0*=λD 光谱响应率波长λc理想情况下,截止波长c λ即峰值波长p λ;实际曲线稍有偏离;例如光子探测器实际光谱响应在峰值波长附近迅速下降,一般将响应下降到峰值响应的50％处的波长称为截止波长c λ;系统的工作波段通常是根据目标辐射光谱特性和应用需求而设定的,则选用的探测器就应该在此波段中有较高的光谱响应;因为光子探测器响应截止的斜率很陡,不少探测器的窗口并不镀成带通滤光片,而是镀成前截止滤光片,可起到抑制背景的效果;3．1．7 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辐照之前的值;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; 响应时间直接反映探测器的频率响应特性,其低通频响特性可表示为：2/12220)41(τπf R R f +=式中f R 为调制频率为f 时的响应率,0R 为调制频率为零时的响应率,τ是探测器响应时间;当f 远小于πτ2/1,响应率就与频率无关,f 远大于πτ2/1时,响应率和频率成反比; 系统设计时,应保证探测器在系统带宽范围内响应率与频率无关;由于光子探测器的时间常数可达数十纳秒至微秒,所以在一个很宽的频率范围内,频率响应是平坦的;热探测器的时间常数较大,如热敏电阻为数毫秒至数十毫秒,因此频率响应平坦的范围仅几十周而已;在设计光机扫描型系统时,探测器的时间常数应当选择得比探测器在瞬时视场上的驻留时间为短,否则探测器的响应速度将跟不上扫描速度;当对突发的辐射信号进行检测时,则应根据入射辐射的时频特性,选择响应速度较快的探测器;如激光功率计在检测连续波激光时,探头的探测器可以用响应较慢的热电堆,检测脉冲激光时则必须用响应速度较快的热释电探测器,如果激光脉宽很窄,需要用光子探测器检测;3．2 光子探测器3．2．1 光电效应概述光子探测器是最有用的红外探测器,它的工作机理是光子与探测器材料直接作用,产生内光电效应;因此,光子探测器的探测率一般比热探测器要大1至2个数量级,其响应时间为微秒或纳秒级;光子探测器的光谱响应特性与热探测器完全不同,通常需要制冷至较低温度才能正常工作;按照普朗克的量子理论,辐射能量是以微粒形式存在的,这种微粒称为光子或量子;一个光子的能量是当入射光子与金属中的电子碰撞时,则将能量传递给电子;如果电子获得光子全部能量,则光子不复存在;如果电子获得的能量大到足以使其穿过表面的势垒,就能从表面逸出;这一效应称为外光电效应或光电子发射效应;电子逸出所需做的功与材料特性有关;由于光子能量随频率而变,故存在一个长波限,或称为截止波长;超过截止波长的光子的能量均低于逸出功,不足以产生自表面逸出的自由电子;因此,光发射探测器的响应只能延伸到近红外的一个小范围;波长大于微米的光子的能量虽然不足产生电子发射,但存在内光电效应;光子传递的能量使电子从非导电状态变为导电状态,从而产生了载流子;载流子的类型取决于材料的特性,这些材料几乎都是半导体;如果材料是本征的,即纯净的半导体,一个光子产生一个电子空穴对,它们分别是正、负电荷的携带者;如果材料是非本征,即掺杂的半导体,光子则产生单一符号的载流子,或为正,或为负,不会同时产生两种载流子;如果在探测器上加电场,则流过探测器的电流将随载流子数量的变化而变化,称为光电导效应;如果光子在p-n结附近产生空穴－电子对,结间的电场就使两类载流子分开,而产生光电压,称为光生伏打效应;光生伏打型的探测器不需要外加偏压,因为p-n已提供了偏压;当电子－空穴对在半导体表面附近形成时,它们力图向深处扩展,以重新建立电中性;如果在这一过程中加上强磁场,就使两种载流子分开而产生光电压,称为光电磁效应; 3．2．2 固体能带理论固体能带理论是表示固体中电子能量分布方式的一种简便方法,扼要介绍一下这一理论,可有助于理解探测器内部产生的光电效应;在简单的波尔原子模型中,绕原子核旋转的电子被限制在分立的能级上,它们各有各的轨道直径;除非原子被激发,电子都占据着较低的能级;固体的原子靠得很近,由于量子力学的结果,单个原子的分立能级扩展成近于连续的能带,这些能带被电子的禁带所隔离;最低的能带是完全充满的,称为阶带;下一个较高的能带,不管是占据或未占据有电子,都称为导带;只有导带中的电子对材料的电导率才有贡献;导电体、绝缘体和半导体有不同的能带结构;导电体的明显标志是导带没有被电子全部占据;绝缘体的电子刚好占据了阶带中的全部能级,导带是空的,禁带很宽,阶电子不可能获得足够的能量升到导带中去;从电特性看,半导体的导电率介于绝缘体和金属之间;纯净的本征半导体的禁带相对窄一些,仅有几分之一电子伏特,而绝缘体的禁带是3电子伏特或更大些;因此,即使在室温下,半导体的一些阶电子也能获得足够的能量,跃过禁带而到达导带;这些电子原来占据的位置成了正电荷,称为空穴;存在电场或磁场时,空穴像电子一样流过材料,然而两者流动的方向相反;在纯净半导体中,一个电子被激发到导带,则产生电子空穴对载流子,两者贡献各自的电导率;本征半导体材料有锗单晶、硅单晶以及按化学计算比例构成的化合物;典型的光伏型本征探测器有 Si, Ge, GaAs, InSb, InGaAs, 和HgCdTe MCT 等,光伏型本征探测器有PbS 、PbSe 和MCT;截止波长再长的探测器,要求材料的禁带宽度比本征半导体还要小;减小禁带宽度的一般方法,是在纯净半导体中加入少量的其它杂质,称为掺杂,所得材料称为非本征半导体;在非本征材料中,只有一种载流子提供导电率,n 型材料的载流子是电子,而p 型的是空穴;许多红外探测器都用锗、硅作为非本征材料的主体材料,可表示为SiX 、GeX;锗、硅原子有4个阶电子,它们和4个周围的子构成共价键;如果把3个价电子的杂质原子掺到锗中,则产生一个过剩的空穴;由于杂质能级恰好靠近主体材料价带的顶部,所以,电子从价带跃迁到杂质空穴,只需要很小的能量;留在价带中的空穴成为载流子,材料则是p 型的;与此类似,如果掺入有5个或更多价电子的杂质,掺杂后成为n 型材料;n 型、p 型材料原则上都可用来制作红外探测器,通常用的还是p 型材料,掺入的杂质有錋、砷、镓、锌等;3．2．3 光导探测器光电导探测器的机理是探测器吸收了入射的红外光子,产生自由载流子,进而改变了敏感元件的电导率;可以对光导探测器加一个恒定的偏流,检测电导率的变化;敏感元件的电阻可表示为： d d A l R σ=式中 l 为长度,d A 为敏感元面积,σ为电导率;光导探测器响应率正比于光照后电导率的相对变化,而后者又可表示为：式中：η为量子效率,τ为自由载流子寿命；μ为迁移率,e是电子电荷量,d为探测器厚度;从式中可看出,高响应率要求探测器有较高的量子效率,自由载流子寿命长,迁移率高,厚度应最小;自由载流子寿命取决于复合过程,在一定程度上可由材料配方和杂质含量来控制;自由载流子寿命是一个极其重要的参数,除影响响应率外,还影响探测器的时间常数;高响应率还要求探测器在无光子辐照时有较低的电导率,即将非光子效应产生的载流子数降低到最小;对长波响应的探测器材料,必须有小的禁带宽度,但禁带宽度小,在室温下,无光照就会产生大量热激发载流子,只能通过致冷探测器来解决;一般来讲,如不致冷的话,大多数光电导探测器的响应波段不会超过3微米;响应波段在3到8微米的,要求中等致冷77K;响应超过8微米的,要求致冷到绝对温度几度;当光导探测器面积一定时,高响应率需要高的量子效率,以便进可能利用所有入射光子,可在敏感元后面设反射器或敏感元表面镀增透膜;光导器件前放的典型电路如上图;光导探测器的输出阻抗较低,要求毫安级的恒流偏置,实际做法是用恒压源经一个串联的负载电阻产生所需的偏流;负载电阻阻值应远大于探测器内阻,电压源要求低纹波,避免引入噪声;探测器输出通过电容耦合到前置放大器,由于前放输入通常为毫伏级的弱信号,前放放大倍数高达数千倍,前放应有较低的噪音系数,设计中一般要求前放的等效输入电压噪声为探测器的1/10,即认为此时可忽略放大器本身噪声的影响;前放输入阻抗与探测器输出是否匹配对放大器的噪音系数影响很大,是设计中必须考虑的因素;3．2．4 光伏探测器光伏探测器利用光生－伏打效应;在光伏过程中,半导体内部或半导体表面存在一个p-n 结;入射光子产生电子空穴对,然后被结上的电场分开,在探测器输出开路情况下可形成光电压;如将探测器输出短路,可产生短路电流;光伏探测器受到辐照后,其伏安特性曲线特性将会下移;设信号的辐射通量为s φ,则光电流为：s e I φη= 式中：η为量子效率,e 为电子电荷量;使用时可选择合适的工作点;一般说来,光伏探测器工作于短路状态时,即零偏压状态,能产生最佳信噪比;有时也对光伏探测器加适当的反向偏置;加反向配置能增加耗尽层的厚度,从而减小时间常数,探测器有较好的高频特性;探测器开路状态工作时,后接放大器应有较高的输入阻抗,可对光伏器件输出开路电压V O 进行电压放大;如光伏探测器工作于短路状态,输出短路电流I SC ,后接放大器的输入阻抗应很低,可采用如图所示的电流－电压放大电路;光伏探测器在理论上能达到的最大探测率比光电导探测器大40％;另外,光伏探测器能零偏置工作,由于是高阻抗器件,即使加反向偏置,偏置功耗很低;与同样为高阻抗的CMOS 读出电路也容易匹配;因此,红外焦平面探测器至今均是光伏型的;光伏器件即可用于辐射探测,也可用作能量转换;如太阳电池或光电池就是在不加偏置电压条件下工作的,其工作点在伏安曲线的第四象限,工作机理也是光生－伏打效应,只是器件结构更注重能量的转换效率而已;3．2．5光电磁探测器光电磁探测器由本征半导体材料薄片和稀土永久磁铁组成,入射光子产生的电子空穴对被外加磁场所分开,它不需要电偏置;这类探测器不需致冷,可响应到7微米;主要特点是时间常数很小,可小于1ns;由于光电磁探测器的探测率比光导和光伏型的低得多,一般很少使用;3．2．6 光发射探测器光发射探测器通常指能产生外光电效应的器件,这类探测器在可见、短波红外有很高的灵敏度,响应波长可达;光电倍增管就是一种利用光电发射效应的探测器,可用于弱光光照度10－2～10－6Lx、微弱光光照度小于 10－6Lx的检测,具有高响应速度,高灵敏度等特点;光电倍增管由光电阴极、阳极和8～19级倍增级组成;入射光子为光电阴极材料表面所吸收后,有自由电子从表面逸出;发射的电子加速打到另一个电极上,在电极上每一个电子会产生许多二次电子;这些电子又依次加速打到第三电极,并多次重复这一过程,得到很高的内部放大增益;硅化铂PtSi探测器也是一种光发射探测器,与光电倍增管不同,金属铂吸收光子后,将载流子发射到半导体材料中;3．2．7 量子阱探测器量子阱红外光子探测器QWIP是由非常薄的GaAs和Alx Ga1-xAs 晶体层交叠而成的,在内部形成多个量子阱;采用分子束外延技术可将GaAs、Alx Ga1-xAs晶体层的厚度控制到几分之一的分子层的精度; GaAs材料的带隙为电子伏特,通常不能制造波长大于微米的探测器;但量子阱内电子可处于基态或初激发态,即处于两种子能带,子能带之间的带隙较小;在光子激发下,电子由基态跃迁到初激发态;器件的结构参数可保证受激载流子能从势阱顶部逸出;并在电场的作用下,被收集为光电流;QWIP响应的峰值波长是由量子阱的基态和激发态的能级差决定的,它的光谱响应与本征。
红外探测技术的应用及发展
红外探测技术的应用及发展1. 引言1.1 红外探测技术的应用及发展红外探测技术是一种利用物体自身所辐射的红外波段能量来探测、识别和测量目标的技术。
随着科技的不断发展，红外探测技术在各个领域的应用也越来越广泛。
从军事领域到工业领域，从安防领域到医疗领域，红外探测技术都发挥着重要的作用。
在军事领域，红外探测技术被广泛应用于夜视设备、导弹制导系统和无人机等领域，有效提高了军事作战的效率和精度。
在安防领域，红外探测技术被用于监控系统、入侵报警系统和人脸识别系统，帮助维护社会治安和保障公共安全。
在医疗领域，红外探测技术被应用于医学影像学、体温测量和癌症诊断等领域，为医护人员提供了更便捷精准的诊断手段。
在工业领域，红外探测技术被广泛应用于红外测温、红外检测和红外控制等领域，提高了工业生产的效率和质量。
随着科技的不断进步，红外探测技术的应用前景将会更加广阔。
它的发展也将对社会产生积极的影响，促进各行各业的发展和进步。
未来，红外探测技术将朝着更高的精度、更广泛的应用领域和更便捷的操作方式发展，为人类带来更多的便利和帮助。
2. 正文2.1 红外探测技术在军事领域的应用红外探测技术在军事领域的应用广泛而深远。
在军事侦查中，红外探测技术可以帮助军方快速准确地发现敌方目标，包括人员和装备。
通过红外探测技术，军方可以在夜间或恶劣天气条件下进行侦察和监视，提高作战效能和保障军事行动的成功。
在导弹系统中，红外探测技术的应用也非常重要。
红外制导导弹可以通过红外探测技术锁定目标并精确打击，大大提高了导弹的命中率和作战效果。
红外探测技术还可以用于导弹预警系统，及时监测敌方导弹发射，并采取相应的防御措施。
红外探测技术还在军事通信领域发挥重要作用。
红外通信可以实现安全高效的通信传输，避免被敌方干扰和监听，保障军事指挥的隐蔽性和稳定性。
红外通信还可以在作战过程中实现部队间的即时信息传递和指挥调度，提高作战协同能力。
红外探测技术在军事领域的应用对提升军事实力和保障国家安全具有重要意义，其发展也将继续推动军事技术的进步和现代化。
红外热像仪探测器分类和发展简史
红外热像仪探测器分类和发展简史红外热像仪探测器分类和发展简史由于红外辐射是人眼不可见的，要察觉其存在，测量其强弱，就必须首先利用红外探测器将其转换为某种便于测量的信号。
红外探测器是红外探测或成像系统中的核心，也是红外技术发展最活跃的领域。
红外技术的发展水平，通常是以红外探测器的发展水平为主要标志的。
1.红外探测器分类对于品种繁多的红外探测器，有各种不同的分类方法。
根据响应波长，可以分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器；根据工作温度和致冷需求，可以分为低温致冷和室温非致冷红外探测器；根据结构可分为单元、线阵和焦平面红外探测器；就探测机理而言，又可分为光子和热敏红外探测器，下面主要就这两类红外探测器予以简单介绍。
1.1光子红外探测器光子红外探测器是利用材料的光电效应将光信息转换为电信息的红外敏感器件。
材料的电学性质通常取决于材料中电子的运动状态，当光束入射至材料表面时，入射光子如果直接与材料中的电子起作用，引起电子运动状态改变，则材料的电学性质也将随之发生变化，这类现象统称为材料的光电效应。
这里强调“直接”两字。
如果光子不是直接与电子作用，而是能量被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，导致材料电学性质的改变，这种情况不能称为光电效应，而是热电效应。
光子探测器主要有以下几种：(1)光电导红外探测器某些半导体材料，当受到红外线照射时，其电导率将明显改变，这种物理现象就是光电导效应。
利用具有光电导效应的材料制成的红外探测器就称为光电导型探测器。
常用的这种类型的探测器有：硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb）、碲镉汞（Hg1-xCdxTe）和锗（Ge）掺杂红外探测器。
光电导探测器的缺点是：光电导效应只有在红外辐射照射一段时间后，其电导率才会达到稳定值，而当停止照射后，载流子不能立即全部复合消失，因此，电导率只有经过一段时间后才能回复。
这种现象称为弛豫现象，这就造成了光电导型红外探测器响应速度较慢的缺点。
红外探测技术的应用及发展
红外探测技术的应用及发展红外探测技术是一种利用红外辐射特征进行探测和测量的技术。
红外辐射是一种波长较长于可见光的电磁辐射，具有热辐射、热影像和热图等特点，广泛应用于军事、工业、医疗、环保和安防等领域。
下面将对红外探测技术的应用及发展进行详细阐述。
红外探测技术在军事领域中有着重要的应用。
通过红外探测技术，可以实现夜间暗视、目标探测和火力打击等任务，在光线条件较差或夜间作战时具有明显优势。
红外探测技术还可以用于无人机、导弹和火炮等武器系统的导航和制导，提高武器的精确度和打击效果。
红外探测技术在工业领域中也起到重要作用。
工业上常用的红外探测器有热电偶、热电堆和红外测温仪等。
这些探测器可以测量物体的表面温度，用于工业生产中对温度的控制和监测。
红外探测技术还可以用于工业设备的故障诊断和预测维护，提高设备的可靠性和工作效率。
在医疗领域，红外探测技术被广泛应用于体温测量和医学成像等方面。
传统的体温测量方式需要接触人体，不仅不方便还可能传播疾病。
而红外体温计则可以非接触地测量人体的体温，快速、准确、安全。
红外成像技术可以通过测量对象表面的红外辐射，得到目标区域的热分布图像，用于诊断疾病和辅助手术等。
环保领域中，红外探测技术广泛应用于大气污染监测。
红外探测器可以测量大气中的各种污染物，如二氧化碳、一氧化氮和氯气等，用于分析和判定大气污染的程度和来源。
红外成像技术还可以应用于火灾监测、煤矿安全和油气管道泄漏等方面。
红外探测技术在安防领域中也有着广泛的应用。
红外摄像机可以通过测量目标的红外辐射，获得目标的热图像，用于监控和检测异常情况。
红外辐射在人体和物体特征识别方面有独特的优势，因此可以用于人脸识别、虹膜识别和指纹识别等安防系统中。
随着科学技术的不断发展，红外探测技术也在不断进步与应用。
新材料的开发使得红外探测器的灵敏度和分辨率得到提高，探测距离和探测角度也得到了扩大。
红外探测技术与其他技术的结合，如人工智能和大数据分析等，进一步拓展了其应用领域和功能。
红外探测技术及红外探测器发展现状
红外探测技术及红外探测器发展现状中国安防行业网2014/7/25 14:10:00 关键字：红外,探测技术,发展现状浏览量：6731一、技术现状红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。
其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟，甚至可以分析物质的分子组成；远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。
只有近红外，由于其强度小，穿透力一般，故长期以来没有引起重视，只是近些年来才成为研究热点，因为用近红外技术可以做某些成分的定量检测，最关键的是还不必破坏试样。
（一）技术优势红外技术有四大优点：环境适应性好，在夜间和恶劣天候下的工作能力优于可见光；隐蔽性好，不易被干扰；由于是靠目标和背景之间、目标各部分的温度和发射率差形成的红外辐射差进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；红外系统的体积小，重量轻，功耗低。
（二）制约因素目标的光谱特性；探测系统的性能；目标和探测口之间的环境和距离——这三大因素是红外技术发展过程中需要解决的主要问题。
例如：为充分利用大气窗口，探测器光谱响应从短波红外扩展到长波红外，实现了对室温目标的探测；探测器从单元发展到多元，从多元发展到焦平面，上了两大台阶，相应的系统实现了从点源探测到目标热成象的飞跃；系统从单波段向多波段发展；发展了种类繁多的探测器，为系统应用提供了充分的选择余地。
（三）国内领先技术红外探测器芯片一直受制于西方政府和供应商。
为打破国外技术垄断，2012年4月，高德红外用2.4亿元超募资金实施“红外焦平面探测器产业化项目”。
2014年2月25日，高德红外公告，公司“基于非晶硅的非制冷红外探测器”项目成果已获湖北省科技厅鉴定通过，下一阶段将开展试生产及批产工作。
据介绍，在高德红外芯片生产线上，国际主流的非晶硅和氧化钒两种工艺线路可以同时运行。
正因如此，高德红外也成为国际上少有的、国内唯一同时具备2条工艺线路的红外探测器芯片生产企业。
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＊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
与人们“越大越好”的习惯不符
4.探测率
•定义：
（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
•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）
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。
•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。
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
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
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
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 )
• 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
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;
• 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。
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
*
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，
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