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