紅外探測器上演示文稿

紅外探測器上演示文稿當(dāng)前1頁，總共63頁。（優(yōu)選）紅外探測器上當(dāng)前2頁，總共63頁。紅外探測器系統(tǒng)的特點(diǎn)紅外探測系統(tǒng)可以無源方式工作與雷達(dá)相比：具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；與可見光設(shè)備相比：具有透過煙塵能力強(qiáng)，可晝夜工作等特點(diǎn)。紅外探測器作為整個(gè)紅外探測系統(tǒng)的核心，種類繁多，性能各異，適用于不同的工作領(lǐng)域。當(dāng)前3頁，總共63頁。1.紅外探測器的發(fā)展

早期中期近期空空紅外導(dǎo)彈機(jī)載紅外武器系統(tǒng)焦平面陣列2.1紅外探測器的發(fā)展及分類當(dāng)前4頁，總共63頁。紅外探測器的研究方向：提高單元器件的性能(高速寬帶響應(yīng)、低噪聲);增大紅外焦平面探測器陣列面積；提高紅外探測系統(tǒng)的靈敏度;克服系統(tǒng)在光學(xué)設(shè)計(jì)和加工、信號處理和顯示等方面的困難，縮小體積、減輕重量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本;隨著材料、芯片和系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，紅外探測器將向更多的光譜波段發(fā)展，既包括拓寬光譜波段，也包括將光譜波段劃分成更為細(xì)致的波段，以獲得目標(biāo)的“彩色”熱圖像，從而更豐富、更精確和更可靠的獲取目標(biāo)信息。當(dāng)前5頁，總共63頁。根據(jù)工作機(jī)理分類：熱釋電紅外探測器熱探測器光子探測器溫差電偶（堆）熱敏電阻氣動探測器光電導(dǎo)光伏光磁電光電發(fā)射其他的分類標(biāo)準(zhǔn)：工作溫度、響應(yīng)波長、結(jié)構(gòu)、用途熱效應(yīng)光電效應(yīng)2.分類當(dāng)前6頁，總共63頁。2.2紅外探測器的性能參數(shù)2.2.1紅外探測器的主要工作條件（1）入射輻射的光譜分布（單色，黑體，大氣和光學(xué)系統(tǒng)）（2）電路的頻率范圍（噪聲電壓，噪聲）（3）工作溫度（半導(dǎo)體探測器）（4）光敏面的形狀和尺寸（信號和噪聲）（5）偏置情況（6）特殊工作條件＊探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)給出性能參數(shù)時(shí)，必須注明有關(guān)工作條件當(dāng)前7頁，總共63頁。紅外探測器的性能參數(shù)

探測器的輸出信號S與入射到探測器的輻射功率P之比，稱為響應(yīng)度，記為R。1.響應(yīng)度（響應(yīng)率）信號S一般為電壓信號或電流信號，對應(yīng)響應(yīng)度的單位分別為V/W，A/W表示探測器把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號的能力（2-1）當(dāng)前8頁，總共63頁。注意：＊在測量響應(yīng)度時(shí)，常用的輻射源為500K黑體，測得的響應(yīng)度用R0表示；＊如輻射源為單色光（波長為λ），則測得的響應(yīng)度記為R0λ；＊響應(yīng)度隨調(diào)制頻率的變化叫做探測器的頻率響應(yīng)。測試時(shí)，需注明調(diào)制頻率、工作溫度、光敏面面積、入射的輻射功率當(dāng)前9頁，總共63頁。2.響應(yīng)時(shí)間τ物理意義：當(dāng)探測器受輻射照射時(shí)，輸出信號上升到穩(wěn)定值的63%是所需要的時(shí)間。當(dāng)前10頁，總共63頁。在某一時(shí)刻（t=0）以恒定輻射去照射探測器，其輸出信號Ut按指數(shù)規(guī)律上升到一個(gè)穩(wěn)定值U0：

（2-2）響應(yīng)時(shí)間τ表征著探測器對輻射響應(yīng)的快慢，這個(gè)參數(shù)越小越好。

當(dāng)前11頁，總共63頁。對于調(diào)制頻率為f的正弦輻射，交流響應(yīng)率Rf與直流響應(yīng)率R0之間有如下關(guān)系:（2-3）知道τ即可畫出探測器的頻率響應(yīng)曲線；由頻率響應(yīng)曲線也可以確定τ的值

R0就是直流響應(yīng)度，當(dāng)時(shí)，（2-4）Rf=0.71R0稱這時(shí)的調(diào)制頻率為探測器的最高響應(yīng)頻率當(dāng)前12頁，總共63頁。3.噪聲等效功率

當(dāng)輻射在探測器上產(chǎn)生的信號電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓值時(shí)，所需投射到探測器上的輻射功率稱作為探測器的噪聲等效功率，即P式中，E是投射到探測器光敏面上的輻照度

A是探測器光敏面面積

S/N是探測器輸出信號電壓與噪聲電壓之比（2-5）＊NEP的量綱為W,NEP標(biāo)志探測器所能探測的最小功率當(dāng)前13頁，總共63頁。由響應(yīng)度的定義,得

等效噪聲功率的另一表達(dá)式：（2-6）等效噪聲功率NEP與探測器的噪聲值N成正比，與探測器的響應(yīng)度R成反比。NEP越小，探測器性能越好與人們“越大越好”的習(xí)慣不符當(dāng)前14頁，總共63頁。4.探測率定義：（2-7）單位：W-1表示每瓦的輻射功率所能獲得的信號噪聲電壓比

大部分探測器的NEP與探測器的面積A的平方根、帶寬Δf的平方根成正比。因此，僅用等效噪聲的數(shù)值很難來比較兩個(gè)不同來源的探測器的優(yōu)劣。當(dāng)前15頁，總共63頁。歸一化探測率（星探測率）

D*實(shí)際上就是當(dāng)探測器的敏感元具有單位面積，放大器的測量帶寬為1Hz時(shí)，單位輻射功率所能獲得的信號噪聲電壓比

D*的單位：不足：在量綱中出現(xiàn)了功率的倒數(shù)，與實(shí)際不符，故在實(shí)用中噪聲等效功率仍是有用的性能參數(shù)?，F(xiàn)在人們說探測率，一般就是指歸一化探測率（2-8）優(yōu)點(diǎn)：能對不同敏感面積的同一類探測器進(jìn)行比較當(dāng)前16頁，總共63頁。5.探測器的光譜響應(yīng)探測器的光譜響應(yīng)是指探測器受到不同波長的光照射時(shí)，響應(yīng)率R隨入射輻射波長的變化的情況。

探測器的光譜響應(yīng)（理想曲線）（A)光子探測器（B）熱探測器？當(dāng)前17頁，總共63頁。熱探測器：理論上，對輻射波長是無選擇性的

單色歸一化探測率Dλ*可以寫成（理想情況）：Dλ*=Dλ

光子探測器,當(dāng)λ≤λc

,當(dāng)λ＞λc光子探測器對輻射的波長有選擇性，存在著長波限λc。當(dāng)前18頁，總共63頁。還需注意的問題：探測器內(nèi)阻的問題，因?yàn)樵谂c放大器連用時(shí)，要考慮到阻抗匹配。探測器的接收面積，因?yàn)樵谂c光學(xué)系統(tǒng)匹配時(shí)必須要考慮到探測器接收面積的大小，一般應(yīng)使探測器接收面積與光學(xué)系統(tǒng)成像大小相同。探測器的響應(yīng)度與輻射強(qiáng)度之間是否是線性關(guān)系。探測器接收面上響應(yīng)度是否均勻。當(dāng)前19頁，總共63頁。紅外探測器性能參數(shù)的測量1.探測率D*的測量當(dāng)前20頁，總共63頁。關(guān)鍵器件及作用1）溫度控制器：使得黑體穩(wěn)定的輻射；2）冷屏：限制黑體表面的紅外輻射對探測器的影響，使得探測器只探測到從小孔輻射的紅外線；3）調(diào)制盤（斬波器）：要求實(shí)現(xiàn)簡諧調(diào)制，有利于放大4）直流電機(jī)：要求大范圍的調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)要用直流；交流電的噪聲很大，對探測器的影響很大5）前置放大器：低噪聲，要求所有電路的噪聲小于探測器的噪聲；

對前置放大器的噪聲和放大率要求很高6）噪聲電壓表：要求帶寬很寬，動態(tài)范圍大，積分時(shí)間當(dāng)前21頁，總共63頁。當(dāng)前22頁，總共63頁。＊對斬波器的要求:實(shí)現(xiàn)正弦調(diào)制：Rw:旋轉(zhuǎn)中心到光束的距離；R:光束半徑，r:斬波器的齒距＊對噪聲電壓表的要求：1）帶寬很寬2)動態(tài)范圍大：是整個(gè)噪聲范圍的（4～10）倍3）積分時(shí)間：通常把積分時(shí)間從最小值開始逐漸增加，直到得到一個(gè)穩(wěn)定的讀數(shù)當(dāng)前23頁，總共63頁。其中，（表示黑體引起的照度增加量）A1是黑體輻射孔的面積d是黑體輻射孔到探測器光敏面的距離T是黑體溫度，500KT0是環(huán)境溫度測量原理：（2-9）Stefan常數(shù).當(dāng)前24頁，總共63頁。

對實(shí)際測試裝置，ΔE固定，探測器光敏面面積A由研制者提供，△f可以選擇，

實(shí)際需要測量的就是VS、VN（1）打開黑體溫控系統(tǒng)，待其溫度穩(wěn)定后（約半小時(shí)），（2）打開斬波器，調(diào)整波分析儀的中心頻率，使之與斬波器的中心頻率相一致；調(diào)制頻率在480Hz左右,選定Δf,調(diào)整波分析儀的通帶中心頻率使輸出電壓最強(qiáng)，該電壓就是信號電壓VS（2）用不透明的室溫板遮住黑體輻射孔，輸出電壓為VN（3）將測量結(jié)果代入式（2-9）即求出D*測量程序＊可同時(shí)測出響應(yīng)率K：前置放大器倍數(shù)當(dāng)前25頁，總共63頁。1081012不同探測器的歸一化探測率隨波長的變化量級：當(dāng)前26頁，總共63頁。2.光譜響應(yīng)的測量方法

相對響應(yīng)

istheresponseofdetector

atthespectralpeakwavelength

isthe

responsespectra.

當(dāng)前27頁，總共63頁。測量相對光譜響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置方框圖

響應(yīng)度或探測率隨入射波長的變化光源光譜曲線＋探測器響應(yīng)曲線當(dāng)前28頁，總共63頁。關(guān)鍵器件及作用紅外源：Nernst燈的特點(diǎn)：低溫時(shí)阻值很小，需預(yù)熱，待溫度升高、阻值變大后才能通電且需限流；1～15微米Nernst燈本身輻射的能量和波長有關(guān)，所以實(shí)際測量時(shí)需要測定光源光譜和探測器響應(yīng)光譜兩曲線，以后者除以前者，才能得到探測器的相對光譜響應(yīng)曲線光源光譜可用對波長無選擇的真空熱電偶來測得wavelengthresponsivity當(dāng)前29頁，總共63頁。單色儀功能：將不同波長的光分出來給探測器特點(diǎn)：信號非常微弱，需要用鎖相放大器鎖相放大器具有強(qiáng)大的能力從噪聲中檢測出被掩埋的信號當(dāng)前30頁，總共63頁。鎖相原理phase-lockedloopfiVdfofoPDVCOPD

：phasediscriminator，鑒相器LPF：LowPassFilter，低通濾波器VCO：VoltageControlledOscillator

電壓控制振蕩器鎖相環(huán)的核心：VCOVCO的核心：變?nèi)荻O管（varicap）VCO頻率受控于電壓當(dāng)前31頁，總共63頁。鎖相過程phase-lockedloopfiVdfofoPDVCO反向偏壓耗盡區(qū)厚度電容當(dāng)前32頁，總共63頁。最終鎖定結(jié)果是PD的兩路送入信號頻率相等Figure6-10Frequencymultiplying

loopFigure6-10Frequencydividingloop當(dāng)前33頁，總共63頁。測量程序﹡Nernst燈預(yù)熱﹡改變單色儀的輸出波長,得到V(λ)

﹡利用熱電偶或熱電堆測量

--光源的輻射譜R(λ)﹡V(λ)/R(λ)---響應(yīng)譜

RV(λ)當(dāng)前34頁，總共63頁。代表曲線當(dāng)前35頁，總共63頁。

峰值波長截止波長曲線當(dāng)前36頁，總共63頁。3.響應(yīng)時(shí)間的測量矩形輻射脈沖法適用條件：紅外探測器的時(shí)間常數(shù)約在50ms～10-2μs之間時(shí)，都可用矩形輻射脈沖法進(jìn)行測量獲得矩形脈沖的方法：（1）對響應(yīng)較慢的探測器可用半圓形調(diào)制盤，脈沖上升時(shí)間比探測器響應(yīng)時(shí)間短；（2）對響應(yīng)較快的探測器（響應(yīng)時(shí)間<10μs）常用旋轉(zhuǎn)反射鏡（脈沖上升與下降時(shí)間可低到10-8μs）。當(dāng)前37頁，總共63頁。頻率響應(yīng)法適用條件：適用于測量大于10μs的時(shí)間常數(shù)；測量裝置：與探測率的實(shí)驗(yàn)裝置相同，須用一個(gè)變速馬達(dá)來改變調(diào)制頻率，并用真空管伏特表來測量輸出電壓信號隨頻率的變化

在橫坐標(biāo)上取兩個(gè)適當(dāng)?shù)念l率f1、f2，從縱坐標(biāo)上得出對應(yīng)的信號值S1、S2，則器件的響應(yīng)時(shí)間由下式算出：S1、S2必須在相差10%以上，否則誤差較大。當(dāng)前38頁，總共63頁。2.3熱探測器機(jī)理

利用輻射的熱效應(yīng)，通過熱電變換來探測輻射。入射到探測器光敏面的輻射被吸收后，引起響應(yīng)元的溫度升高，響應(yīng)元材料的某一物理量隨之而發(fā)生變化。利用不同物理效應(yīng)可設(shè)計(jì)出不同類型的熱探測器。熱探測器也通稱為能量探測器輻射→溫度變化→材料物理量變化當(dāng)前39頁，總共63頁。熱探測器熱電偶（堆）：溫差電效應(yīng)

熱敏電阻：電阻溫度效應(yīng)

熱釋電：熱釋電效應(yīng)

氣動探測器（Golaycell)主要類型：當(dāng)前40頁，總共63頁。1.熱敏電阻工作原理：阻值隨溫度改變而改變溫度↑電阻↑正溫度系數(shù)（）金屬溫度↑電阻↓負(fù)溫度系數(shù)（）半導(dǎo)體熱敏電阻的靈敏元可是由錳、鈷、鎳金屬氧化物按一定比例混合壓制成型，高溫?zé)Y(jié)而成定義電阻溫度系數(shù)當(dāng)前41頁，總共63頁。吸收紅外輻射熱敏電阻的溫度升高電阻值變化輸出電壓改變（工作電路配合）基本結(jié)構(gòu)當(dāng)前42頁，總共63頁。工作原理：當(dāng)熱敏薄片的溫度升高到使由熱傳導(dǎo)所損失的熱功率等于薄片所吸收的輻射功率時(shí)，薄片的溫度就達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值，薄片的電阻也隨之達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。熱敏電阻探測器的響應(yīng)時(shí)間：從輻照開始到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間當(dāng)前43頁，總共63頁。響應(yīng)度大溫升大、電阻溫度系數(shù)大要求如果襯底熱導(dǎo)較?。▊鳠崧?，溫升可以較大，但達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間就比較長需要在響應(yīng)度與響應(yīng)時(shí)間之間進(jìn)行折中使用時(shí)，需要在薄片上加偏置電壓，使得薄片的溫度在沒有輻照時(shí)就比環(huán)境溫度高幾度，利于熱量的導(dǎo)出。當(dāng)前44頁，總共63頁。注意：測輻射熱敏電阻的探測率與紅外輻射波長、器件光敏面面積和阻值均無關(guān)，而與材料常數(shù)、光敏面的吸收率、環(huán)境溫度、工作溫度、襯底的熱導(dǎo)率及襯底的厚度有關(guān)。存在一個(gè)閾值溫度，當(dāng)薄片溫度高于閾值時(shí)，熱敏電阻自行燒毀。當(dāng)前45頁，總共63頁。2.熱電偶（堆）溫差電效應(yīng)當(dāng)兩種不同的金屬或半導(dǎo)體材料連接成一個(gè)閉合電路，并使一個(gè)接頭的溫度T高于另一個(gè)接頭的溫度T0，那么，在閉合電路中便有電流流過。這個(gè)效應(yīng)于1821年由塞貝克發(fā)現(xiàn)，故稱為塞貝克效應(yīng)。當(dāng)前46頁，總共63頁。溫差電動勢定義塞貝克系數(shù)單位：V/℃例：在由康銅和鐵構(gòu)成的電偶中，兩接頭點(diǎn)的溫差為1℃時(shí)，產(chǎn)生的電動勢為5.2×10-5V當(dāng)前47頁，總共63頁。帕耳帖效應(yīng)當(dāng)兩種不同的金屬或半導(dǎo)體材料1和2連接通以電流，在接頭處便有吸熱或放熱現(xiàn)象.這個(gè)效應(yīng)于1834年由帕耳帖首先發(fā)現(xiàn)，故稱為帕耳帖效應(yīng)單位時(shí)間內(nèi)接頭處吸收的熱量與電流成正比:式中，Π12稱為帕耳帖系數(shù)帕耳帖效應(yīng)是可逆的，即當(dāng)前48頁，總共63頁。湯姆遜效應(yīng)當(dāng)存在溫度梯度的均勻?qū)w中通有電流時(shí)，導(dǎo)體中除了產(chǎn)生和電阻有關(guān)的焦耳熱以外，導(dǎo)體的各部分就會變冷或變熱，因此原來的溫度分布就會改變。為維持原有的溫度分布，導(dǎo)體各部分必須吸收或放出熱量，這個(gè)效應(yīng)稱為湯姆遜效應(yīng)。若電流是由溫度T流向T+dT處，則單位長度內(nèi)的吸熱速率為τ為湯姆遜系數(shù)湯姆遜效應(yīng)也是可逆的當(dāng)前49頁，總共63頁。三種溫差電效應(yīng)不是獨(dú)立無關(guān)的；塞貝克系數(shù)、帕耳帖系數(shù)、湯姆遜系數(shù)之間存在開耳芬關(guān)系當(dāng)前50頁，總共63頁。說明：（1）為了提高測輻射熱電偶的電壓響應(yīng)度，除了應(yīng)盡量提高塞貝克系數(shù)α12外，還應(yīng)當(dāng)降低熱電偶兩臂的熱導(dǎo)和電阻。（2）響應(yīng)度和響應(yīng)速度之間是互相制約的,不可同時(shí)改善：其中，H為輻照面的熱容量；

m為負(fù)載電阻R與熱電偶電阻r之比；當(dāng)前51頁，總共63頁。每個(gè)熱電偶受照面的熱容量H可以做得比較小，而整個(gè)受照面比較大，這樣可以使熱電堆的性能優(yōu)于熱電偶把輻照面分成若干塊，每塊接一個(gè)熱電阻，并把它們串聯(lián)起來，構(gòu)成熱電堆熱電堆分為：塊材料器件薄膜器件當(dāng)前52頁，總共63頁。3.熱釋電探測器熱電晶體

在具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的極性晶體中，即使在外電場和應(yīng)力均為零的情況下，本身具有自發(fā)極化，自發(fā)極化強(qiáng)度為Ps，是溫度的函數(shù)。溫度升高時(shí)，Ps減小，當(dāng)溫度高于居里溫度Tc時(shí)，Ps=0。具有這種性質(zhì)的晶體稱為熱電晶體。硫酸三甘肽（TGS）、鈮酸鍶鋇（SBN）、鉭酸鋰、鈮酸鈮最敏感的熱電材料當(dāng)前53頁，總共63頁。溫度高于居里溫度Tc時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度Ps=0。硫酸三甘肽（TGS）、鈮酸鍶鋇（SBN）當(dāng)前54頁，總共63頁。熱電系數(shù)：自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化率單位：C·cm-2K-1當(dāng)前55頁，總共63頁。（2）熱釋電效應(yīng)自發(fā)極化熱電晶體表面出現(xiàn)面束縛電荷：面束縛電荷常被（晶體內(nèi)部和外部）自由電荷中和平時(shí)但是，中和所需時(shí)間很長----秒級自發(fā)極化的弛豫時(shí)間很短-----10-12S