第二章红外探测器(上)

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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
•锁相原理
fi
PD
fo
VCO
fo
PD : phase discriminator,鉴相器 LPF: Low Pass Filter,低通滤波器 VCO:Voltage Controlled Oscillator
电压控制振荡器
Vd
phase-locked loop
锁相环的核心: VCO
VCO的核心:变容二极管(varicap)
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
responsivity
应曲线
光源光谱可用对波长无选择的真空热电偶 来测得
wavelength
•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
phase-locked loop
•最终锁定结果是PD的两路送入信号频率相等
fi f 0 N
Figure 6-10 Frequency multiplying loop
f 0 Nf i
f i Nf 0
f0 fi / N
Figure 6-10 Frequency dividing loop
RV ( )
is the response spectra.
•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
测量相对光谱响应的实验装置方框图
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,
108 cm Hz1/2/W
1012 cm Hz1/2/W
2.光谱响应的测量方法
• 相对响应
RV ( ) Vs ( , ) / P( , ) RV ( p )V ( )
RV ( p ) is the response of detector at
the spectral peak wavelength
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
• 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
• 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:
t U t U 0 1 e
63%U 0
(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:
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)
•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。
* D c * D c 0
, 当λ≤λc ,当λ>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。
*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:



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
D T , f , f D( A f )
*
1/ 2
S/N ( A f )1/ 2 P
关键器件及作用 1)温度控制器:使得黑体稳定的辐射;
1 D 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 )
* P *
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(来自百度文库应时间<10μs)
常用旋转反射镜(脉冲上升与下降时间可低到10-8μs)。
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
测量原理:
S/N * 1/ 2 D ( A f ) P
其中,
VS
(f ) VN 2E A1/ 2
1/ 2
(2-9)
(T 4 T04 ) A1 E 2d 2
(表示黑体引起的照度增加量)
调制频率在 480 Hz 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*
*可同时测出响应率
VS 1 R 2 2E K
K:前置放大器倍数
不同探测器的归一化探测率随波长的变化 量级:
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;
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
(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
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,500K T0 是环境温度
5.67 10-12Wcm2 K 4
Stefan常数.
测量程序
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;
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:
实现正弦调制:
Rw 10 R
R / r 0.87
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
f3dB (8 ~ 10) f N
2) 动态范围大:是整个噪声范围的(4~10)倍
•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
*
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 D*的单位:cm Hz
1/ 2
/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,
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
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。
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
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
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
VCO 频率受控于电压
•锁相过程
If f 0 fi ,
fi
PD
fo VCO
fo
vd wd c f 0
反向偏压 耗尽区厚度 电容
Vd
If
f 0 fi
vd wd c f 0
Phase locked , f 0 fi vd const.
测量程序
﹡ Nernst 灯预热
﹡利用热电偶或热电堆测量 --光源的辐射谱R(λ )
﹡改变单色仪的输出波长, 得到V(λ )
﹡ V(λ ) / R(λ ) --- 响应谱 RV(λ )
• 代表曲线
D* ( ) / R( ) 曲线
p 峰值波长
c 截止波长
D / D 2 ~ 2.5
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