紅外探測器上演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有63頁\編輯于星期四（優(yōu)選）紅外探測器上現(xiàn)在是2頁\一共有63頁\編輯于星期四紅外探測器系統(tǒng)的特點紅外探測系統(tǒng)可以無源方式工作與雷達相比：具有結構簡單，體積小，重量輕，分辨率高，抗干擾能力強等優(yōu)點；與可見光設備相比：具有透過煙塵能力強，可晝夜工作等特點。紅外探測器作為整個紅外探測系統(tǒng)的核心，種類繁多，性能各異，適用于不同的工作領域?，F(xiàn)在是3頁\一共有63頁\編輯于星期四1.紅外探測器的發(fā)展

早期中期近期空空紅外導彈機載紅外武器系統(tǒng)焦平面陣列2.1紅外探測器的發(fā)展及分類現(xiàn)在是4頁\一共有63頁\編輯于星期四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、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)在光學設計和加工、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)結構，降低成本;隨著材料、芯片和系統(tǒng)技術的進步，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致的波段，以獲得目標的“彩色”熱圖像，從而更豐富、更精確和更可靠的獲取目標信息?，F(xiàn)在是5頁\一共有63頁\編輯于星期四根據(jù)工作機理分類：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光伏光磁電光電發(fā)射其他的分類標準：工作溫度、響應波長、結構、用途熱效應光電效應2.分類現(xiàn)在是6頁\一共有63頁\編輯于星期四2.2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，大氣和光學系統(tǒng)）（2）電路的頻率范圍（噪聲電壓，噪聲）（3）工作溫度（半導體探測器）（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給出性能參數(shù)時，必須注明有關工作條件現(xiàn)在是7頁\一共有63頁\編輯于星期四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，稱為響應度，記為R。1.響應度（響應率）信號S一般為電壓信號或電流信號，對應響應度的單位分別為V/W，A/W表示探測器把紅外輻射轉換成電信號的能力（2-1）現(xiàn)在是8頁\一共有63頁\編輯于星期四注意：＊在測量響應度時，常用的輻射源為500K黑體，測得的響應度用R0表示；＊如輻射源為單色光（波長為λ），則測得的響應度記為R0λ；＊響應度隨調制頻率的變化叫做探測器的頻率響應。測試時，需注明調制頻率、工作溫度、光敏面面積、入射的輻射功率現(xiàn)在是9頁\一共有63頁\編輯于星期四2.響應時間τ物理意義：當探測器受輻射照射時，輸出信號上升到穩(wěn)定值的63%是所需要的時間?，F(xiàn)在是10頁\一共有63頁\編輯于星期四在某一時刻（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)律上升到一個穩(wěn)定值U0：

（2-2）響應時間τ表征著探測器對輻射響應的快慢，這個參數(shù)越小越好。

現(xiàn)在是11頁\一共有63頁\編輯于星期四對于調制頻率為f的正弦輻射，交流響應率Rf與直流響應率R0之間有如下關系:（2-3）知道τ即可畫出探測器的頻率響應曲線；由頻率響應曲線也可以確定τ的值

R0就是直流響應度，當時，（2-4）Rf=0.71R0稱這時的調制頻率為探測器的最高響應頻率現(xiàn)在是12頁\一共有63頁\編輯于星期四3.噪聲等效功率

當輻射在探測器上產(chǎn)生的信號電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓值時，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標志探測器所能探測的最小功率現(xiàn)在是13頁\一共有63頁\編輯于星期四由響應度的定義,得

等效噪聲功率的另一表達式：（2-6）等效噪聲功率NEP與探測器的噪聲值N成正比，與探測器的響應度R成反比。NEP越小，探測器性能越好與人們“越大越好”的習慣不符現(xiàn)在是14頁\一共有63頁\編輯于星期四4.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)值很難來比較兩個不同來源的探測器的優(yōu)劣?，F(xiàn)在是15頁\一共有63頁\編輯于星期四歸一化探測率（星探測率）

D*實際上就是當探測器的敏感元具有單位面積，放大器的測量帶寬為1Hz時，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)，與實際不符，故在實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：能對不同敏感面積的同一類探測器進行比較現(xiàn)在是16頁\一共有63頁\編輯于星期四5.探測器的光譜響應探測器的光譜響應是指探測器受到不同波長的光照射時，響應率R隨入射輻射波長的變化的情況。

探測器的光譜響應（理想曲線）（A)光子探測器（B）熱探測器？現(xiàn)在是17頁\一共有63頁\編輯于星期四熱探測器：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λ≤λc

,當λ＞λc光子探測器對輻射的波長有選擇性，存在著長波限λc。現(xiàn)在是18頁\一共有63頁\編輯于星期四還需注意的問題：探測器內阻的問題，因為在與放大器連用時，要考慮到阻抗匹配。探測器的接收面積，因為在與光學系統(tǒng)匹配時必須要考慮到探測器接收面積的大小，一般應使探測器接收面積與光學系統(tǒng)成像大小相同。探測器的響應度與輻射強度之間是否是線性關系。探測器接收面上響應度是否均勻?，F(xiàn)在是19頁\一共有63頁\編輯于星期四紅外探測器性能參數(shù)的測量1.探測率D*的測量現(xiàn)在是20頁\一共有63頁\編輯于星期四關鍵器件及作用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）調制盤（斬波器）：要求實現(xiàn)簡諧調制，有利于放大4）直流電機：要求大范圍的調整電機轉速時要用直流；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，積分時間現(xiàn)在是21頁\一共有63頁\編輯于星期四現(xiàn)在是22頁\一共有63頁\編輯于星期四＊對斬波器的要求:實現(xiàn)正弦調制：Rw:旋轉中心到光束的距離；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：是整個噪聲范圍的（4～10）倍3）積分時間：通常把積分時間從最小值開始逐漸增加，直到得到一個穩(wěn)定的讀數(shù)現(xiàn)在是23頁\一共有63頁\編輯于星期四其中，（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).現(xiàn)在是24頁\一共有63頁\編輯于星期四

對實際測試裝置，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），（2）打開斬波器，調整波分析儀的中心頻率，使之與斬波器的中心頻率相一致；調制頻率在480Hz左右,選定Δf,調整波分析儀的通帶中心頻率使輸出電壓最強，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）將測量結果代入式（2-9）即求出D*測量程序＊可同時測出響應率K：前置放大器倍數(shù)現(xiàn)在是25頁\一共有63頁\編輯于星期四1081012不同探測器的歸一化探測率隨波長的變化量級：現(xiàn)在是26頁\一共有63頁\編輯于星期四2.光譜響應的測量方法

相對響應

istheresponseofdetector

atthespectralpeakwavelength

isthe

responsespectra.

現(xiàn)在是27頁\一共有63頁\編輯于星期四測量相對光譜響應的實驗裝置方框圖

響應度或探測率隨入射波長的變化光源光譜曲線＋探測器響應曲線現(xiàn)在是28頁\一共有63頁\編輯于星期四關鍵器件及作用紅外源：Nernst燈的特點：低溫時阻值很小，需預熱，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，所以實際測量時需要測定光源光譜和探測器響應光譜兩曲線，以后者除以前者，才能得到探測器的相對光譜響應曲線光源光譜可用對波長無選擇的真空熱電偶來測得wavelengthresponsivity現(xiàn)在是29頁\一共有63頁\編輯于星期四單色儀功能：將不同波長的光分出來給探測器特點：信號非常微弱，需要用鎖相放大器鎖相放大器具有強大的能力從噪聲中檢測出被掩埋的信號現(xiàn)在是30頁\一共有63頁\編輯于星期四鎖相原理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：變容二極管（varicap）VCO頻率受控于電壓現(xiàn)在是31頁\一共有63頁\編輯于星期四鎖相過程phase-lockedloopfiVdfofoPDVCO反向偏壓耗盡區(qū)厚度電容現(xiàn)在是32頁\一共有63頁\編輯于星期四最終鎖定結果是PD的兩路送入信號頻率相等Figure6-10Frequencymultiplying

loopFigure6-10Frequencydividingloop現(xiàn)在是33頁\一共有63頁\編輯于星期四測量程序﹡Nernst燈預熱﹡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)---響應譜

RV(λ)現(xiàn)在是34頁\一共有63頁\編輯于星期四代表曲線現(xiàn)在是35頁\一共有63頁\編輯于星期四

峰值波長截止波長曲線現(xiàn)在是36頁\一共有63頁\編輯于星期四3.響應時間的測量矩形輻射脈沖法適用條件：紅外探測器的時間常數(shù)約在50ms～10-2μs之間時，都可用矩形輻射脈沖法進行測量獲得矩形脈沖的方法：（1）對響應較慢的探測器可用半圓形調制盤，脈沖上升時間比探測器響應時間短；（2）對響應較快的探測器（響應時間<10μs）常用旋轉反射鏡（脈沖上升與下降時間可低到10-8μs）?，F(xiàn)在是37頁\一共有63頁\編輯于星期四頻率響應法適用條件：適用于測量大于10μs的時間常數(shù)；測量裝置：與探測率的實驗裝置相同，須用一個變速馬達來改變調制頻率，并用真空管伏特表來測量輸出電壓信號隨頻率的變化

在橫坐標上取兩個適當?shù)念l率f1、f2，從縱坐標上得出對應的信號值S1、S2，則器件的響應時間由下式算出：S1、S2必須在相差10%以上，否則誤差較大?，F(xiàn)在是38頁\一共有63頁\編輯于星期四2.3熱探測器機理

利用輻射的熱效應，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，引起響應元的溫度升高，響應元材料的某一物理量隨之而發(fā)生變化。利用不同物理效應可設計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→材料物理量變化現(xiàn)在是39頁\一共有63頁\編輯于星期四熱探測器熱電偶（堆）：溫差電效應

熱敏電阻：電阻溫度效應

熱釋電：熱釋電效應

氣動探測器（Golaycell)主要類型：現(xiàn)在是40頁\一共有63頁\編輯于星期四1.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↓負溫度系數(shù)（）半導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，高溫燒結而成定義電阻溫度系數(shù)現(xiàn)在是41頁\一共有63頁\編輯于星期四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）基本結構現(xiàn)在是42頁\一共有63頁\編輯于星期四工作原理：當熱敏薄片的溫度升高到使由熱傳導所損失的熱功率等于薄片所吸收的輻射功率時，薄片的溫度就達到一個穩(wěn)定值，薄片的電阻也隨之達到一個穩(wěn)定值。熱敏電阻探測器的響應時間：從輻照開始到穩(wěn)定狀態(tài)的時間現(xiàn)在是43頁\一共有63頁\編輯于星期四響應度大溫升大、電阻溫度系數(shù)大要求如果襯底熱導較小（傳熱慢），溫升可以較大，但達到穩(wěn)定狀態(tài)需要的時間就比較長需要在響應度與響應時間之間進行折中使用時，需要在薄片上加偏置電壓，使得薄片的溫度在沒有輻照時就比環(huán)境溫度高幾度，利于熱量的導出。現(xiàn)在是44頁\一共有63頁\編輯于星期四注意：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，而與材料常數(shù)、光敏面的吸收率、環(huán)境溫度、工作溫度、襯底的熱導率及襯底的厚度有關。存在一個閾值溫度，當薄片溫度高于閾值時，熱敏電阻自行燒毀。現(xiàn)在是45頁\一共有63頁\編輯于星期四2.熱電偶（堆）溫差電效應當兩種不同的金屬或半導體材料連接成一個閉合電路，并使一個接頭的溫度T高于另一個接頭的溫度T0，那么，在閉合電路中便有電流流過。這個效應于1821年由塞貝克發(fā)現(xiàn)，故稱為塞貝克效應?，F(xiàn)在是46頁\一共有63頁\編輯于星期四溫差電動勢定義塞貝克系數(shù)單位：V/℃例：在由康銅和鐵構成的電偶中，兩接頭點的溫差為1℃時，產(chǎn)生的電動勢為5.2×10-5V現(xiàn)在是47頁\一共有63頁\編輯于星期四帕耳帖效應當兩種不同的金屬或半導體材料1和2連接通以電流，在接頭處便有吸熱或放熱現(xiàn)象.這個效應于1834年由帕耳帖首先發(fā)現(xiàn)，故稱為帕耳帖效應單位時間內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)帕耳帖效應是可逆的，即現(xiàn)在是48頁\一共有63頁\編輯于星期四湯姆遜效應當存在溫度梯度的均勻導體中通有電流時，導體中除了產(chǎn)生和電阻有關的焦耳熱以外，導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，導體各部分必須吸收或放出熱量，這個效應稱為湯姆遜效應。若電流是由溫度T流向T+dT處，則單位長度內的吸熱速率為τ為湯姆遜系數(shù)湯姆遜效應也是可逆的現(xiàn)在是49頁\一共有63頁\編輯于星期四三種溫差電效應不是獨立無關的；塞貝克系數(shù)、帕耳帖系數(shù)、湯姆遜系數(shù)之間存在開耳芬關系現(xiàn)在是50頁\一共有63頁\編輯于星期四說明：（1）為了提高測輻射熱電偶的電壓響應度，除了應盡量提高塞貝克系數(shù)α12外，還應當降低熱電偶兩臂的熱導和電阻。（2）響應度和響應速度之間是互相制約的,不可同時改善：其中，H為輻照面的熱容量；

m為負載電阻R與熱電偶電阻r之比；現(xiàn)在是51頁\一共有63頁\編輯于星期四每個熱電偶受照面的熱容量H可以做得比較小，而整個受照面比較大，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，每塊接一個熱電阻，并把它們串聯(lián)起來，構成熱電堆熱電堆分為：塊材料器件薄膜器件現(xiàn)在是52頁\一共有63頁\編輯于星期四3.熱釋電探測器熱電晶體

在具有非中心對稱結構的極性晶體中，即使在外電場和應力均為零的情況下，本身具有自發(fā)極化，自發(fā)極化強度為Ps，是溫度的函數(shù)。溫度升高時，Ps減小，當溫度高于居里溫度Tc時，Ps=0。具有這種性質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現(xiàn)在是53頁\一共有63頁\編輯于星期四溫度高于居里溫度Tc時，自發(fā)極化強度Ps=0。硫酸三甘肽（TGS）、鈮酸鍶鋇（SBN）現(xiàn)在是54頁\一共有63頁\編輯于星期四熱電系數(shù)：自發(fā)極化強度隨溫度的變化率單位：C·cm-2K-1現(xiàn)在是55頁\一共有63頁\編輯于星期四（2）熱釋電效應自發(fā)極化熱電晶體表面出現(xiàn)面束縛電荷：面束縛電荷常被（晶體內部和外部）自由電荷中和平時但是，中和所需時間很長----秒級自發(fā)極化的弛豫時間很短-----10-12S晶體溫度以