紅外探測(cè)器主要參數(shù)定義

1、紅外探測(cè)器量子效率在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光子數(shù)之比。對(duì)理想的探測(cè)器,入射一個(gè)光子發(fā)射一個(gè)電子，"）=1。當(dāng)然實(shí)際上不是所有的光子都可以被吸收，因探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)為A處的量子效率可以表示為:IS/e() =P/hv一、一 一_34 一一其中h =6.6260755號(hào)0 J.S，是普朗克常數(shù)，e是元電荷。2. 響應(yīng)率輸出信號(hào)電壓S與輸入紅外輻射功率P之比即：R=S（V/W）或（A/W）P3. 響應(yīng)波長(zhǎng)范圍單色響應(yīng)率與波長(zhǎng)的關(guān)系，稱(chēng)為光譜響應(yīng)曲線或響應(yīng)光譜。熱敏型紅外 探測(cè)器的響應(yīng)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)。光電型紅外探測(cè)器有峰值波長(zhǎng)、和長(zhǎng)波限知。 通常取響應(yīng)率下降到 *一半所在的波長(zhǎng)

2、為丸。光電探測(cè)器只有在小丁 九范圍 有響應(yīng)，因此稱(chēng)為選擇性紅外探測(cè)器。«對(duì)丁光子探測(cè)器，僅當(dāng)入射光子的能量大丁某一極小值 A嶺時(shí)才能產(chǎn)生 光電效應(yīng)。就是說(shuō)，探測(cè)器僅對(duì)波長(zhǎng)小丁 乙，或者頻率大丁 的光子才有響 應(yīng)。因此，光子探測(cè)器的響應(yīng)隨波長(zhǎng) 】線性上升，然后到某一截止波長(zhǎng)'c突 然下降為零。而熱型探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)無(wú)選擇性，對(duì)可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射 同樣敏感，在室溫工作。靈敏度低、響應(yīng)時(shí)間偏長(zhǎng)，最快的響應(yīng)時(shí)間也在毫 秒量級(jí)。熱釋電探測(cè)器主要應(yīng)用丁被動(dòng)式的傳感器中，主要應(yīng)用丁防盜報(bào)警、來(lái)客告知等被動(dòng)探測(cè)以及石油化工、電力等行業(yè)的溫度測(cè)量、溫度檢測(cè) 等靈敏度不是很高的場(chǎng)合。此

3、外，熱釋電材料是還是制備非制冷紅外成像設(shè) 備的重要材料。常見(jiàn)紅外光子探測(cè)器及響應(yīng)波段波長(zhǎng)范圍探測(cè)器材料近紅外e 7-f 1 口 m)硅光電二極管(Si)短波紅外ci-U m)錮竦碑(InGaAs) 硫化鋁(PbS、 緒Ge).硅化鉗、碑化錮(InAs)硒化鉛PbSe)、(PtSi)中紅外(35y m)鑄化錮InSb、 疏鎘汞HgCdTe)硒化鉛(PbSe、 、量子阱(QWIP)長(zhǎng)波紅外8-14 U m>確鎘汞(HgCdTe)Ge：X 、 Si:X、量子阱QWIP)遠(yuǎn)紅夕卜16 Mm以上)量子阱i QWIP )4. 噪聲如果測(cè)量探測(cè)器輸出的電子系統(tǒng)有足夠大的放大倍數(shù)，即使沒(méi)有入射輻射。也可

4、以看到一些毫無(wú)規(guī)律的電壓起伏，它的均方根稱(chēng)為噪聲電壓 N,此噪 聲來(lái)源丁探測(cè)器中的某些基本的物理過(guò)程。探測(cè)器的噪聲主要有以下幾個(gè)來(lái) 源：1/ f噪聲(閃爍噪聲)，暗電流噪聲(熱噪聲)以及光電流噪聲。1/ f噪聲為低頻噪聲，在 GaAs / AlGaAs QWIP 中的影響很小，不是主 要的制約因素。制約器件性能的主要因素是暗電流噪聲和光子噪聲，即載流子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。當(dāng)溫度在絕對(duì)零度以上，由丁電荷載流子的熱運(yùn)動(dòng)，所有電阻都有熱噪聲?？赏ㄟ^(guò)減小電阻、帶寬或者溫度的方法降低熱噪聲。由丁 熱噪 聲與絕對(duì)溫度的平方根 成正比，所以可以用降低溫度的方法降低。 例如， 將某種電阻的溫度由室溫（2

5、98K ）降低到液態(tài)氮的溫度（77K ）,熱噪 聲下降50%。如前所述，QWIP的探測(cè)率的限制因素來(lái)源丁兩個(gè)方面，一是探測(cè)器本 身的暗電流噪聲，二是照射到探測(cè)器表面的背景光子漲落（光電子噪聲）。在溫度高丁背景限制溫度（Tblip ）時(shí)，暗電流噪聲占主導(dǎo)作用，此時(shí) QWIP工 作丁器件噪聲限制模式。當(dāng)工作溫度低丁 Tblip時(shí)，由背景光子漲落引起的光 電流噪聲占主導(dǎo)地位，此刻 QWIP工作丁背景噪聲限制（BLIP）模式。探測(cè) 器在BLIP模式下工作時(shí)，具有最大的探測(cè)率，故而我們總是試圖增加器件的 Tblip 05. 信噪比信噪比，即SNR （ Signal to Noise Ratio ）,指入

6、射輻射所產(chǎn)生的信號(hào) 輸出電壓與同時(shí)輸出的噪聲電壓的比，常常用分貝數(shù)表示，設(shè)備的信噪比越 高表明它產(chǎn)生的雜音越少。一般來(lái)說(shuō)，信噪比越大，說(shuō)明混在信號(hào)里的噪聲 越小。設(shè)入射功率產(chǎn)生的信號(hào)輸出電壓為 S,噪聲電壓為N ,則SNR = S/N （dB）注：dB（Decibel ,分貝）是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位，本意是表示兩個(gè)量的比值大 小，沒(méi)有單位。在電子工程領(lǐng)域，放大器增益使用的就是 dB （分貝）。放大器輸出與輸 入的比值為放大倍數(shù)，單位是“倍”，如 10倍放大器,100倍放大器。當(dāng) 改用“分貝”做單位時(shí)，放大倍數(shù)就稱(chēng)之為增益，這是一個(gè)概念的兩種稱(chēng)呼。電學(xué)中分貝與放大倍數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：A(V)(dB)=2

7、0lg(Vo/Vi);電壓增益 A(I)(dB)=20lg(Io/Ii)；電流增益 Ap(dB)=10lg(Po/Pi);功率增益使用分貝做單位主要有三大好處：(1) 數(shù)值變小，讀寫(xiě)方便。電子系統(tǒng)的總放大倍數(shù)常常是幾千、幾萬(wàn)甚 至幾十萬(wàn)，一臺(tái)收音機(jī)從天線收到的信號(hào)至送入喇叭放音輸出，一共要放大2萬(wàn)倍左右。用分貝表示先取個(gè)對(duì)數(shù)，數(shù)值就小得多。(2) 運(yùn)算方便。放大器級(jí)聯(lián)時(shí)，總的放大倍數(shù)是各級(jí)相乘。用分貝做單 位時(shí)，總增益就是相加。若某功放前級(jí)是100倍(20dB)，后級(jí)是20倍(13dB), 那么總功率放大倍數(shù)是 100 X 20=2000倍，總增益為20dB + 13dB=33dB。(3) 符

8、合聽(tīng)感，估算方便。人聽(tīng)到聲音的響度是與功率的相對(duì)增長(zhǎng)呈正 相關(guān)的。例如，當(dāng)電功率從0.1瓦增長(zhǎng)到1.1瓦時(shí)，聽(tīng)到的聲音就響了很多； 而從1瓦增強(qiáng)到2瓦時(shí)，響度就差不太多；再?gòu)?0瓦增強(qiáng)到11瓦時(shí)，沒(méi)有 人能聽(tīng)出響度的差別來(lái)。如果用功率的絕對(duì)值表小都是1瓦，而用增益表小分別為10.4dB , 3dB和0.4dB ,這就能比較一致地反映出人耳聽(tīng)到的響度差 別了。分貝數(shù)值中，一3dB和0dB兩個(gè)點(diǎn)是必須了解的。一3dB也叫半功率點(diǎn) 或截止頻率點(diǎn)。這時(shí)功率是正常時(shí)的一半，電壓或電流是正常時(shí)的1/ V 2。在dB頻率范圍，輸出電平等，不加說(shuō)明的話都可能有土的出入。3dB功率：10lg(1/2) (dB)

9、 =-3電流/ 電流：20lg( 1/ V) (dB) =-3例子：收音機(jī)的頻響10Hz40kHz ,就是表示在這段頻率中，輸出幅度 不會(huì)超過(guò)土 3dB，也就是說(shuō)佝Hz和40kHz這二個(gè)端點(diǎn)頻率上，輸出電壓 幅度只有中間頻率段的0.707( 1/ V)倍了。0dB表示輸出與輸入或兩個(gè)比較信號(hào)一樣大。6. 響應(yīng)率輸出信號(hào)電壓S與輸入紅外輻射功率P之比：R=S/P (v/w )7. 噪聲等效功率當(dāng)入射輻射所產(chǎn)生的輸出電壓正好等丁探測(cè)器本身的噪聲電壓時(shí)，這時(shí) 的入射輻射功率稱(chēng)為噪聲等效功率 Pne (NEP)。設(shè)入射功率為P,噪聲電壓為N,由丁 S=N ,則PPNE = P = e = N / R(

10、w)SN等效噪聲功率可以反映探測(cè)器的探測(cè)能力，但不等丁系統(tǒng)無(wú)法探測(cè)到強(qiáng) 度弱丁等效噪聲功率的輻射信號(hào)。如果采取相關(guān)接收技術(shù)，即使入射功率小 丁等效噪聲功率，由丁信號(hào)是相關(guān)的，噪聲是不相關(guān)的，也是可以將信號(hào)檢 測(cè)出來(lái)的，但是這種檢測(cè)是以增加檢測(cè)時(shí)間為代價(jià)的。另外，強(qiáng)度等丁等效 噪聲功率的輻射信號(hào)，系統(tǒng)并不能可靠地探測(cè)到。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)通常要求最 小可探測(cè)功率數(shù)倍丁等效噪聲功率，以保證探測(cè)系統(tǒng)有較高的探測(cè)概率。注：噪聲等效功率越小越好8. 探測(cè)率(D)P NE注：探測(cè)率越大越好9. 比探測(cè)率(D )探測(cè)器的噪聲等效功率與探測(cè)器的面積 A有關(guān)。因而不能用它比較不同面積的探測(cè)器的優(yōu)劣。通過(guò)分析，大多數(shù)紅

11、外探測(cè)器的噪聲等效功率Pne % VA?？紤]到帶寬，則Pne兇 3。為了比較不同來(lái)源的紅外探測(cè)器，*制定了規(guī)一化的探測(cè)率D。*. Af N R12D = = A.f = . Anf （cm.Hz / w）心:的物理意義可理解為1w輻射功率入射到光敏面積1cm2的探測(cè)器上, 并用帶寬為1Hz的電路測(cè)量所得的信噪比。是歸一化的探測(cè)率，稱(chēng)為比 探測(cè)率，讀作D星。用7/來(lái)比較兩個(gè)探測(cè)器的優(yōu)劣，可避免探測(cè)器面積或 測(cè)量帶寬不同對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。比探測(cè)率和前面介紹的探測(cè)率定義上是有 區(qū)別的，但由丁探測(cè)率未對(duì)面積、帶寬歸一化，確實(shí)沒(méi)有多大實(shí)用意義，一 般文獻(xiàn)報(bào)告中都不把。'稱(chēng)之為“比探測(cè)率”，而是稱(chēng)為“探測(cè)率”，這只 是種約定俗成的做法。10.響應(yīng)時(shí)間當(dāng)一定功率的輻射突然照射到探測(cè)器上時(shí)，探測(cè)器輸出信號(hào)要經(jīng)過(guò)一定 時(shí)間才能上升到與這一輻射功率相對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定值。當(dāng)輻射突然去除時(shí)，輸出 信號(hào)也要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能下降到之前的值。這種上升或下降所需的時(shí)間叫 探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間，或時(shí)間常數(shù)。11 .噪聲等效溫差（NETD ）評(píng)價(jià)熱成像系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)靈敏和噪聲的一個(gè)客觀參數(shù)。它的定義為：熱 成像系統(tǒng)信噪比（SNR）為1,探測(cè)目標(biāo)與背景的溫差。熱成像的這個(gè)參數(shù) 可以直接由示波器與表計(jì)進(jìn)行客觀測(cè)量，從而排除了觀察人員的主觀因素。 NETD即為民