[方案]第二章红外探测器(上)

1、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 第二章 红外探测 器 意义：红外系统的核心元件 原理图 红外辐射能转换器 电能 可测量的物理量 （电压、电流及 材料的性质变化） 红外探测 器 红外探测器系统的特点 u红外探测系统可以无源方式工作 u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； u与可见光设备相比：具有透过烟尘能力强，可昼夜工作等

2、 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。 1.红外探测器的发展 早期中期 近期 空空 红外 导弹 机载 红外 武器 系统 焦平面阵列 2.1 红外探测器的 发展及分类 红外探测器的研究方向： 提高单元器件单元器件的性能(高速宽带响应、低噪声); 增大红外焦平面探测器阵列面积阵列面积； 提高红外探测系统的灵敏度系统的灵敏度; 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; 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拓宽光谱波段，也包括将光谱波 段划

3、分成更为细致的波段细致的波段，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。 根据工作机理分类： 热释电 红外探测器 热探测器 光子探测器 温差电偶（堆） 热敏电阻 气动探测器 光电导 光伏 光磁电 光电发射 其他的分类标准：工作温度、响应波长、结构、用途 热效应 光电效应 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 （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 （噪声电压，噪声） （3）工作温度 （半导体探测器） （4）光敏面的形状和尺寸 （信号和噪声） （5）偏置情况 （6）特殊工作条件 探测器的

4、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 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。 1.响应度（响应率） p s r 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 表示探测器把红外辐射转换成电信号的能力 （2-1） 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），则测得的响应度 记为r0； 响应度随调制频率的变化叫做探测器的频率响应。频率响应。 测试测试时，需注明调制频率、工作温度、光敏面面积、 入射的辐射功率 2.

5、响应时间 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： 00 163% t t uueu （2-2） 响应时间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: 0 222 1/2 (14) f r r f （2-3） 知道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的值 r0就是直流响应度，当 时， 2 1 f （2-4） rf = 0.71 r0 称这时的调制频率为探测器的最高

6、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 ns ea / nep p 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 （2-5） nep的量纲为w, nep标志探测器所能探测的最小功率 r n nep 由响应度的定义 , 得 p s r 等效噪声功率的另一表达式： （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： n

7、ep 1 d （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f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） *1/21/2 / ,()() s n dt ffd afaf p 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：的单位： 1/2 /cm hzw 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。 现在人们说探测率，一般就是指归一化探测率

8、 （2-8） 优点：能对不同敏感面积的同一类探测器进行比较 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d*可以写成（理想情况）： d*=d 光子探测器 * * 0 c c d d , 当c ,当c 光子探测器对辐射的波长有选择性，存在着长波限c。 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

9、，一般应使探测器接收面积 与光学系统成像大小相同。 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 *1/21/2 / ,()() s n dt ffd afaf p 关键器件及作用 1）温度控制器温度控制器：使得黑体稳定的辐射； 2）冷屏冷屏：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）调制盘（斩波器）：要求实现简谐调制，有利于放大 4）直流电机直流电机：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）前置放大器前置放

10、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 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: 10 w rr /0.87r r 实现正弦调制： 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 3 (8 10) dbn ff 2) 动态范围大：是整个噪声范围的（410）倍 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 2 1 4 0 4 2 )( d att e 其中， （表示黑体引起的照度增加量） a1 是黑体辐射孔的面积 d 是黑体辐射孔到探测

11、器光敏面的距离 t 是黑体温度，500k t0 是环境温度 2/1 2/1 2/1* 2 )( )( / ae f v v fa p ns d n s 测量原理： （2-9） 1224 5.67 10wcm k stefan常数常数. 对实际测试装置，对实际测试装置，e固定，探测器光敏面面积固定，探测器光敏面面积a由研制者提供，由研制者提供， f可以选择， 实际需要测量的就是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），）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）打开斩波器，调整波分析仪的中心频率，

12、使之与斩波 器的中心频率相一致；器的中心频率相一致； 调制频率在调制频率在 480 hz 左右左右,选定选定f ,调整波分析仪的通带中心频率使输出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）用不透明的室温板遮住黑体辐射孔，输出电压为vn （3） 将测量结果代入将测量结果代入 式（式（2-9）即求出）即求出d* 测量程序测量程序 可同时测出响应率 ke v r s 1 22 k：前置放大器倍数 108 /whzcm 1/2 1012/whzcm 1/2 不同探测器的归一化探测率随波长的变化 量级

13、： 2.光谱响应的测量方法光谱响应的测量方法 相对响应 ( )( ,)/() ( ),) vsvp prvvr () vp r is the response of detector at the spectral peak wavelength is the response spectra. ( ) v r 测量相对光谱响应的实验装置方框图 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 关键器件及作用 红外源： nernst灯灯的特点：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；115微米 nernst 灯本身辐射的能量和波长有关灯本身辐射的能量和波

14、长有关， 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 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 responsivity 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 锁相原理 phase-locked loop f i vd fofo pdvco pd ： phase discriminator，鉴相器 lpf： low pass filter，低通滤波器 vco：voltage controlled oscill

15、ator 电压控制振荡器 锁相环的核心： vco vco的核心：变容二极管（varicap） vco 频率受控于电压 锁相过程 phase-locked loop f i vd fofo pdvco 0dd wcfv 0 , i ifff 0dd wcfv 0i fiff 0 ,. id fphase lockedvtfcons 反向偏压耗尽区厚度 电容 最终锁定结果是pd的两路送入信号频率相等 figure 6-10 frequency multiplying loop figure 6-10 frequency dividing loop 0i fnf 0i ffn 0i fnf 0 /

16、i ffn 测量程序 nernst 灯预热 改变单色仪的输出波长, 得到v() 利用热电偶或热电堆测量 -光源的辐射谱r() v() / r() - 响应谱 rv() 代表曲线 p * /22.5 p dd 峰值波长 截止波长 c 曲线 * ( )/( )dr 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50ms10-2s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10s） 常用旋转反射镜（脉冲上升与下降时间可低到10-8s）。 频率响应法

17、 适用条件：适用于测量大于10s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 信号随频率的变化 在横坐标上取两个适当的频率f1、f2， 从纵坐标上得出对应的信号值s1、s2， 则器件的响应时间由下式算出： 1 2 22 12 2222 2211 1 2 ss f sf s s1、s2必须在相差10%以上， 否则误差较大。 2.3 热探测器 机理 利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐射。 入射到探测器光敏面的辐射被吸收后，引起响应 元的温度升高，响应元材料的某一物理量随之而 发生变化。利用不同物理效应可设计出不同类型 的热探测

18、器。 热探测器也通称为能量探测器 辐射温度变化材料物理量变化 热探测器热探测器 热电偶（堆）：热电偶（堆）：温差电效应温差电效应 热敏电阻：热敏电阻：电阻温度效应电阻温度效应 热释电：热释电：热释电效应热释电效应 气动探测器（气动探测器（golay cell) 主要类型： 1. 热敏电阻 工作原理：阻值随温度改变而改变 温度 电阻 正温度系数（p.t.c） 金属 温度 电阻 负温度系数（n.t.c） 半导体 热敏电阻的灵敏元可是由锰、钴、镍金属氧化物按一定比例混合压制成型，高 温烧结而成 定义电阻温度系数 rdt dr 吸收红外辐射热敏电阻的温度升高 电阻值变化 输出电压改变（工作电路配合）

19、基本结构 工作原理： 当热敏薄片的温度升高到使由 热传导所损失的热功率等于薄 片所吸收的辐射功率时，薄片 的温度就达到一个稳定值，薄 片的电阻也随之达到一个稳定 值。 热敏电阻探测器的响应时间：从辐照开始到稳定状态的时间 响应度大温升大、电阻温度系数大 要求 如果衬底热导较小（传热慢），温升可以较大，但达到稳定状态需要的 时间就比较长 需要在响应度与响应时间之间进行折中 使用时，需要在薄片上加偏置电压，使得薄片的温度在没有辐照时就比环 境温度高几度，利于热量的导出。 注意： 测辐射热敏电阻的探测率探测率与红外辐射波长、器件 光敏面面积和阻值均无关，而与材料常数、光敏与材料常数、光敏 面的吸收率

20、、环境温度、工作温度、衬底的热导面的吸收率、环境温度、工作温度、衬底的热导 率及衬底的厚度有关。率及衬底的厚度有关。 存在一个阈值温度阈值温度，当薄片温度高于阈值时，热热 敏电阻自行烧毁。敏电阻自行烧毁。 2.热电偶（堆）热电偶（堆） 温差电效应 当两种不同的金属或半导体材 料连接成一个闭合电路，并使一个 接头的温度t高于另一个接头的温度 t0，那么，在闭合电路中便有电流 流过。 这个效应于1821年由塞贝克发 现，故称为塞贝克效应。 温差电动势 定义塞贝克系数 dt d 12 12 单位：v/ 例：在由康铜和铁构成的电偶中，两接头点的温差为1 时，产生的电动势为 5.210-5 v 帕耳帖效

21、应 当两种不同的金属或半导体材料1和2连 接通以电流，在接头处便有吸热或放热 现象. 这个效应于1834年由帕耳帖首先发现， 故称为帕耳帖效应 单位时间内接头处吸收的热量与电流成正比:i dt dq 12 式中，12称为帕耳帖系数 帕耳帖效应是可逆的，即 2112 汤姆逊效应 当存在温度梯度的均匀导体中通有 电流时，导体中除了产生和电阻有关的 焦耳热以外，导体的各部分就会变冷或 变热，因此原来的温度分布就会改变。 为维持原有的温度分布，导体各部分必 须吸收或放出热量，这个效应称为汤姆 逊效应。 若电流是由温度t流向t+dt处，则单位长度内的吸热速率为 dqdt i dtdx 为汤姆逊系数 汤姆

22、逊效应也是可逆的 三种温差电效应不是独立无关的； 塞贝克系数、帕耳帖系数、汤姆逊系数之间存在 开耳芬关系 dt d t t 12 21 1212 说明： （1）为了提高测辐射热电偶的电压响应度，除了应尽量提高塞贝克系数 12外，还应当降低热电偶两臂的热导和电阻。 （2）响应度和响应速度之间是互相制约的,不可同时改善： 2/122 12 )1 ()1 ( hm m r 其中，h 为辐照面的热容量； m为负载电阻r与热电偶电阻r之比； 每个热电偶受照面的热容量h可 以做得比较小，而整个受照面 比较大，这样可以使热电堆的 性能优于热电偶 把辐照面分成若干块，每块接一个热电阻，并把它们串联起来，构成热

23、电堆 热电堆分为： 块材料器件 薄膜器件 3.热释电探测器 热电晶体 在具有非中心对称结构的极性晶体中，即使在外 电场和应力均为零的情况下，本身具有自发极化， 自发极化强度自发极化强度为ps，是温度的函数。温度升高时， ps减小，当温度高于居里温度居里温度tc时，ps=0。具有 这种性质的晶体称为热电晶体热电晶体。 硫酸三甘肽（tgs）、铌酸锶钡（sbn）、钽酸锂、铌酸铌 最敏感的热电材料 温度高于居里温度tc时，自发极化强度ps=0。 硫酸三甘肽（tgs）、铌酸锶钡（sbn） 热电系数：自发极化强度随温度的变化率 t p s 单位：ccm-2k-1 （2）热释电效应 自发极化热电晶体表面出现

24、面束缚电荷 ： ss p 面束缚电荷常被（晶体内部和外部）自由电荷中和平时 但是，中和所需时间很长-秒级 自发极化的弛豫时间很短-10-12 s 晶体温度以一定频率变化时，来不及中和，面束缚电荷密度必然以同样的 频率出现周期性变化，并产生一个交变电场。热释电效应 *热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件 设1/f足够小，在垂直于ps的两个端面涂上电极，并通过负载连成闭合回路，回 路中就会有电流流过，而且在负载两端产生交变的信号电压。 工作原理： 二、热释电探测器的基本工作原理 用调制频率为f的红外辐射照射热电晶体 ( s itc s 光 强 变 化面 束 缚 电 荷 ）电 容 ）输 出 信 号 电 压 ）充 放 电v 外电压恒定 热释电探测器的电压响应度 t 为器件的热时间常数