第二章红外探测器(上)

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
* 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（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）。
•
•
•
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；
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
• 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。
•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）
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
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
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.
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
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
•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，
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，
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
•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。
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，
VSBiblioteka (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）
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 )
（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
• 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
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）
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