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文檔簡介

1T/CAEEXXX—2025制冷型二類超晶格紅外探測器本文件規(guī)定了制冷型二類超晶格紅外探測器的術(shù)語和定義、分類與命名、技術(shù)要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標(biāo)志、包裝、運輸和貯存。本文件適用于制冷型二類超晶格紅外探測器的設(shè)計、生產(chǎn)、檢驗和使用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中,注日期的引用文件,僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T191包裝儲運圖示標(biāo)志GB/T2423電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分GB/T17444—2013紅外焦平面陣列參數(shù)測試方法GB/T19001—2016質(zhì)量管理體系要求GB/T26572電子電氣產(chǎn)品中限用物質(zhì)的限量要求GB/T2828.1計數(shù)抽樣檢驗程序第1部分:按接收質(zhì)量限(AQL)檢索的逐批檢驗抽樣計劃GJB150A軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法GJB151B軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1制冷型紅外探測器Cooledinfrareddetector需要借助制冷設(shè)備降低工作溫度,以實現(xiàn)對紅外輻射信號有效探測的紅外探測器。3.2二類超晶格TypeⅡsuperlattice由兩種不同帶隙的半導(dǎo)體薄層周期性交替排列形成的人工一維量子結(jié)構(gòu),其能帶排列為Type-II型,電子和空穴在空間上分離,有效帶隙可通過周期厚度精確調(diào)節(jié)。3.3噪聲等效溫差(NETD)NoiseEquivalentTemperatureDifference(NETD)在給定測量條件下,產(chǎn)生與探測器噪聲輸出相等信號所需的黑體溫差,單位為mK。3.4盲元率DPRDefectivePixelRate(DPR)在規(guī)定場景溫度下,響應(yīng)率或噪聲超出允許閾值的像元占總像元數(shù)的百分比。3.5有效像元率Effectivepixelrate滿足響應(yīng)率、NETD、線性度等指標(biāo)的像元數(shù)占總像元數(shù)的百分比。3.6有效量子效率Effectivequantumefficiency探測器輸出信號電子數(shù)與入射光子數(shù)之比,包括光學(xué)耦合效率、載流子收集效率及倍增增益。2T/CAEEXXX—20253.7高工作溫度(HOT)HighOperatingTemperature(HOT)在≥150K溫度下仍能保持NETD、D\*、暗電流等關(guān)鍵性能指標(biāo)滿足系統(tǒng)應(yīng)用要求的探測器工作模3.8暗電流密度Darkcurrentdensity在給定偏置與溫度條件下,無光照時單位面積的電流,單位為nA/cm2。3.9制冷啟動時間Coolingstartuptime制冷機啟動后,探測器芯片溫度達到設(shè)定值并保持在±0.1K范圍內(nèi)所需的時間。3.10真空保持壽命Vacuumretentionlifetime杜瓦從出廠至內(nèi)部真空度衰減到允許下限的時間,單位為年。4分類與命名規(guī)則4.1分類4.1.1按波段:短波(SW,1μm~3μm)、中波(MW,3μm~5μm)、長波(LW,7.5μm~10μm)、4.1.2按結(jié)構(gòu):單波段、雙色、多色、偏振集成。4.1.3按封裝:金屬杜瓦、陶瓷共燒、晶圓級真空封裝(WLP)。4.1.4按制冷方式:斯特林制冷器、脈管制冷器、節(jié)流制冷器(含液氮制冷)。4.2命名規(guī)則探測器型號命名規(guī)則如下:T2SL-〈陣列規(guī)模〉-〈波段〉-〈像元間距〉-〈制冷方式〉-〈版本年份〉。示例:T2SL-1280×1024-MW-15-LN2-2025。5技術(shù)要求5.1基本參數(shù)本章節(jié)所有參數(shù)測試基準(zhǔn)條件為:標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境(溫度23±5℃、相對濕度50±20%、氣壓86~106kPa),NETD測試條件為f/2、黑體溫度300K、幀頻30Hz?;緟?shù)如表1。表1基本參數(shù)1.0-3.03.0-5.07.5-10.011.0-15.0—T/CAEEXXX—2025377-15077-15077-12077-10077-1205.2結(jié)構(gòu)尺寸探測器外形、安裝面、冷屏、窗口、引線鍵合區(qū)尺寸應(yīng)符合詳細(xì)規(guī)范要求,WLP器件總厚度≤0.8mm,平整度≤20μm。5.3外觀質(zhì)量表面不得有裂紋、劃痕、凹坑、金屬殘留及腐蝕現(xiàn)象;鍵合區(qū)需保持無氧化、無沾污狀態(tài);窗口鍍膜應(yīng)完好,無脫落和針孔。5.4材料與結(jié)構(gòu)要求5.4.1超晶格材料a)X射線衍射(004)衛(wèi)星峰半高寬(FWHM)≤30arcsec;b)位錯蝕坑密度(EPD)≤5×104cm-2;c)外延層表面粗糙度(RMS)在10μm×10μm范圍內(nèi)(采用AFM測量)應(yīng)≤1.5nm。5.4.2芯片結(jié)構(gòu)a)吸收層厚度:SW/MW≥4.0μm,LW/VLW≥5.0μm;b)鈍化層的介電常數(shù)應(yīng)≤4.0,厚度≥200nm;5.5環(huán)境適應(yīng)性探測器應(yīng)能承受以下環(huán)境試驗,試驗后性能衰減≤10%,盲元率增加≤0.1%:c)溫度循環(huán):-55℃~+85℃,10次循環(huán);d)隨機振動:20Hz~2000Hz,功率譜密度0.04g2/Hz,每軸5min;e)恒定濕熱:+60℃,95%RH,48h;f)鹽霧:5%NaCl溶液,+35℃,48h;g)低氣壓:11.6kPa,2h。5.6光電性能要求5.6.1暗電流密度a)MW:在120K、-50mV條件下,暗電流密度(Jdark)應(yīng)≤1nA/cm2;b)LW:在80K、-50mV條件下,暗電流密度(Jdark)應(yīng)≤8nA/cm2。c)雙色LW通道:在80K、-50mV條件下,暗電流密度(Jdark)≤12nA/cm25.6.2量子效率(QE)a)MW:中心波長處的量子效率應(yīng)≥60%;b)LW:中心波長處的量子效率應(yīng)≥50%。5.6.3動態(tài)阻抗(R?A)a)MW:在120K條件下,動態(tài)阻抗應(yīng)≥1×10?Ω?cm2;b)LW:在80K條件下,動態(tài)阻抗應(yīng)≥1×103Ω?cm2。T/CAEEXXX—202545.6.4有效像元率應(yīng)符合表1規(guī)定。單色探測器允許相鄰壞像元簇≤2個;雙色探測器允許相鄰壞像元簇≤3個。有效像元的判定準(zhǔn)則見6.8。5.6.5響應(yīng)非均勻性(NU)。在300K均勻黑體測試條件下,響應(yīng)非均勻性(σ/μ)應(yīng)≤5%。5.6.6電磁兼容需符合GJB151B-2013中陸軍地面設(shè)備的限值要求,涵蓋CE102、RE102、CS114、CS115、CS116、RS103項目。5.7制冷與真空a)制冷機類型:可采用線性斯特林、旋轉(zhuǎn)斯特林或脈管制冷機;b)制冷啟動時間:針對120K負(fù)載,啟動時間應(yīng)≤6min;c)制冷功耗:在80K、500mW熱負(fù)載條件下,功耗應(yīng)≤15W,雙色探測器可放寬至≤18W;d)真空保持壽命:需≥10年(漏率應(yīng)≤5×10-5.8輻射加固當(dāng)總劑量≥100krad(Si)時,NETD退化量應(yīng)≤20%,暗電流增加量應(yīng)≤50%,EPR下降≤1%。5.9可靠性a)加速壽命試驗(采用Arrhenius模型,激活能Ea=0.45eV):在120℃高溫下老煉1000h,等效使用壽命需≥10年;b)高低溫循環(huán):在-55℃與+85℃之間循環(huán)100次后,芯片不得出現(xiàn)裂紋,性能衰減量應(yīng)c)恒定濕熱:在+65℃/95%RH環(huán)境下放置96h后,外觀不得有腐蝕,且NETD變化量應(yīng)≤d)隨機振動:在20Hz~2000Hz頻率范圍內(nèi),功率譜密度為0.04g2/Hz時,3軸各測試10min,需無機械損傷;e)機械沖擊:在500g加速度、1ms持續(xù)時間、半正弦波形條件下,3軸各測試3次,芯片不得脫落;f)壽命試驗:連續(xù)通電1000h后,性能衰減量應(yīng)≤10%。5.10接口與兼容性a)電接口:需符合GigEVision、CameraLink或CoaXPress協(xié)議;b)機械接口:采用IDDCA標(biāo)準(zhǔn)的25mm或40mm法蘭,冷頭平面度≤0.02mmc)控制命令:需兼容GenICam指令集。5.11可維修性制冷機冷頭組件、窗口、濾光片、杜瓦內(nèi)吸氣劑可現(xiàn)場更換,維修時間≤30min。5.12安全與環(huán)保a)低溫表面需具備防護設(shè)計,防止結(jié)霜及凍傷操作者;b)噪聲:在1m處測量,噪聲應(yīng)≤55dB(A);c)有毒有害物質(zhì)含量需符合GB/T26572的要求。5.13雙色探測器專項要求a)波段串?dāng)_:雙色探測器兩通道間串?dāng)_率≤5%;b)同步性:兩通道信號輸出延遲差≤10μs;c)溫度一致性:兩通道焦平面溫度差≤0.5K;d)盲元協(xié)同性:相鄰?fù)ǖ烂ぴ丿B率≤1.5%。T/CAEEXXX—202556試驗方法6.1材料驗證a)HRXRD:按附錄A進行。b)EPD:采用熔融KOH腐蝕,光學(xué)顯微鏡計數(shù)。c)AFM:掃描面積10μm×10μm,測量RMS粗糙度。6.2試驗條件a)標(biāo)準(zhǔn)大氣條件:溫度(23±5)℃,相對濕度(50±20)%,氣壓86kPa~106kPa。b)測試黑體:發(fā)射率≥0.995,溫度均勻性≤±0.01K,穩(wěn)定性≤±0.005K。c)測試設(shè)備:校準(zhǔn)證書在有效期內(nèi),不確定度優(yōu)于被測參數(shù)容限的1/3。6.3電學(xué)參數(shù)測試a)暗電流:在屏蔽箱內(nèi),控溫±0.1K,使用Keithley6430源表測量。b)量子效率:采用標(biāo)準(zhǔn)黑體+單色儀系統(tǒng),波長步進0.1μm,計算外量子效率。c)動態(tài)阻抗:由暗電流-電壓(I-V)曲線在零偏壓附近擬合得出。6.4光電參數(shù)測試6.4.1噪聲等效溫差NETD按GB/T17444—2013規(guī)定的方法進行。測試條件:黑體溫度300K,溫差ΔT=4K,幀頻30Hz,積分時間可調(diào)。統(tǒng)計中心256×256像元噪聲及信號,計算平均NETD值。分別測試f/2和f/3光學(xué)孔徑下的數(shù)值。6.4.2有效像元率按以下閾值判定有效像元,并計算有效像元率:a)響應(yīng)率下限:平均值-50%;b)NETD上限:平均值+50%;c)同時滿足a)、b)的像元為有效像元。6.5響應(yīng)非均勻性在均勻黑體輻照下,采集全幀像元響應(yīng)值,計算其標(biāo)準(zhǔn)差σ與均值μ,響應(yīng)非均勻性NU按公式(1)計算:6.6制冷性能a)啟動時間:從300K到設(shè)定溫度,熱電偶監(jiān)測芯片背面溫度。b)功耗:直流電源串入電流表,記錄穩(wěn)定值。c)真空保持:采用氦質(zhì)譜檢漏儀,累積法測試漏率。6.7光譜響應(yīng)采用傅里葉變換光譜儀,測試光束垂直入射窗口,記錄響應(yīng)率-波長曲線,取峰值50%處的波長為截止波長。測試波長步進應(yīng)根據(jù)波段特性確定,短波(SW)建議不大于0.02μm,中長波建議不大于0.1μm。6.8盲元率a)響應(yīng)盲元:響應(yīng)率偏離中值±30%(單色)、±35%(雙色);b)噪聲盲元:NETD>2倍中值(單色)、>2.2倍中值(雙色);c)線性盲元:線性度R2<0.95(單色)、R2<0.93(雙色);d)統(tǒng)計盲元數(shù)并計算百分比,雙色探測器需分別統(tǒng)計兩通道盲元率及重疊率。6.9有效量子效率采用雙黑體法,測得探測器輸出信號電子數(shù)與入射光子數(shù),有效量子效率η_eff按公式(2)計算:公式(2)η_eff=(信號電子數(shù)/入射光子數(shù))×100%(2)6.10飽和電荷容量測試通過改變積分時間,測量響應(yīng)信號隨積分時間的變化曲線,取曲線拐點對應(yīng)的信號電荷量作為飽和電荷容量。6.11環(huán)境試驗按第5.5條所列項目,分別執(zhí)行GB/T2423系列、GJB150A系列相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法。T/CAEEXXX—202566.12電磁兼容按GJB151B—2013規(guī)定的方法,在10kHz~18GHz頻段內(nèi)進行測試。6.13輻射試驗采用Co-60γ射線源,劑量率50~300rad(Si)/s,累積至100krad(Si)。6.14可靠性試驗a)高低溫循環(huán):按GB/T2423.1、GB/T2423.2執(zhí)行。b)恒定濕熱:按GB/T2423.3執(zhí)行。c)隨機振動:按GB/T2423.10執(zhí)行。d)機械沖擊:按GB/T2423.5執(zhí)行。6.15壽命試驗連續(xù)通電:探測器安裝于老化箱內(nèi),80℃環(huán)境溫度,1000h,每100h抽測NETD、暗電流,記錄衰減曲線。6.16雙色探測器串?dāng)_測試a)測試設(shè)備:單色儀(波長分辨率0.1μm)、黑體(300K)、鎖相放大器;b)測試步驟:1)對通道1輸入其中心波長(如MW4μm),測量通道2的響應(yīng)率;2)對通道2輸入其中心波長(如LW8μm),測量通道1的響應(yīng)率;c)計算方法:串?dāng)_率=(交叉通道響應(yīng)率/目標(biāo)通道響應(yīng)率)×100%,需≤5%。7檢驗規(guī)則7.1檢驗分類產(chǎn)品檢驗分為出廠檢驗、型式試驗、抽樣檢驗3種。檢驗項目按表2進行7.2檢驗項目檢驗項目應(yīng)符合表2的規(guī)定。表中“√”表示必檢項目,“○”表示可選檢或協(xié)議檢驗,“—”表示不檢項目。表2檢驗項目一覽表1√√√2√√√3√○—4√√√5√√√6√○—7√√○8√○—9√√√√○√√——√√√√√—√——√——√√√T/CAEEXXX—202577.3出廠檢驗每臺裝置出廠前,必須由質(zhì)量部在正常條件下進行出廠試驗,檢驗項目按照表2中規(guī)定的檢驗項目逐個進行,全部檢驗合格后,附有合格證及檢驗證記錄方可允許出廠。7.4型式試驗型式檢驗項目按表2中規(guī)定的檢驗項目逐個進行,并出具型式試驗報告。當(dāng)出現(xiàn)以下情況之一時,應(yīng)進行型式試驗:a)新產(chǎn)品定型,投運前。b)連續(xù)批量生產(chǎn)的產(chǎn)品每四年一次。c)正式投產(chǎn)后,如設(shè)計、工藝材料、元器件有較大改動,可能影響產(chǎn)品性能時。d)產(chǎn)品停產(chǎn)一年以上又恢復(fù)生產(chǎn)時。e)出廠試驗結(jié)果與型式試驗有較大差異時。f)國家技術(shù)監(jiān)督機構(gòu)或受其委托的技術(shù)檢驗部門提出型式試驗要求時。g)合同規(guī)定進行型式試驗時。7.5抽樣檢驗對批量生產(chǎn)的產(chǎn)品,可按GB/T2828.1進行抽樣檢驗。一般檢驗水平為II級,接收質(zhì)量限(AQL)由供需雙方協(xié)商確定,通常AQL=0.65。7.6判定規(guī)則若有任一項不合格,則判定該批產(chǎn)品不合格;型式檢驗不合格,應(yīng)立即停止交付,分析原因并采取糾正措施。8標(biāo)志、包裝、運輸、貯存8.1標(biāo)志產(chǎn)品上應(yīng)有:型號規(guī)格、序列號、生產(chǎn)日期、檢驗批號、制造商、方向標(biāo)識、ESD敏感警示標(biāo)志。8.2包裝采用真空鋁箔袋+干燥劑+緩沖泡沫盒。包裝箱外按GB/T191標(biāo)注“向上”“防潮”“易碎”等圖示。隨箱文件:合格證、測試報告、使用說明書、保修卡。8.3運輸在-55℃~+70℃環(huán)境運輸,相對濕度≤85%,避免劇烈振動、沖擊、雨雪淋襲。8.4貯存包裝好的裝置應(yīng)貯存在環(huán)境溫度為溫度-10℃~+40℃,相對濕度不大于60%,無腐蝕,爆炸性氣體,貯存期2年內(nèi)性能保持不變。9質(zhì)量保證規(guī)定9.1質(zhì)量一致性制造商應(yīng)建立符合GB/T19001的質(zhì)量管理體系,并保持過程能力指數(shù)Cpk≥1.33。9.2可追溯性從外延片、芯片、杜瓦、制冷機到整機的每個單元須具有唯一序列號及批次記錄,保存期≥15年。9.3故障報告與糾正措施T/CAEEXXX—20258用戶發(fā)現(xiàn)故障后7日內(nèi)通報制造商,制造商30日內(nèi)提供RCA(RootCauseAnalysis,根本原因分析)報告及糾正預(yù)防措施。10技術(shù)文檔制造商應(yīng)提供:a)產(chǎn)品規(guī)格書(含典型性能曲線、機械圖、外形尺寸圖、接口定義);b)可靠性評估報告(含加速試驗、FMEA、失效模式);c)輻射加固試驗報告;d)維修手冊和備件清單;e)軟件接口協(xié)議(CameraLink/CoaXPress/GigEVision)。f)一致性聲明(CE、RoHS、REACH、沖突礦物)T/CAEEXXX—20259(規(guī)范性)超晶格材料HRXRD測試方法A.1儀器高分辨X射線衍射儀,配備CuKα1輻射(λ=0.15406nm),Ge(220)四晶單色器,以降低背景噪聲,提高衍射信號的分辨率。探測器:采用閃爍計數(shù)器或半導(dǎo)體探測器,確保能準(zhǔn)確捕捉高角度分辨率的衍射信號。儀器需具備θ-2θ掃描和ω掃描功能,且角度精度符合測試要求。A.2樣品a)樣品為片狀超晶格材料,需明確其生長方向(如[001]等),確保衍射面與生長方向匹配。b)去除襯底背面氧化層,避免氧化層對衍射信號產(chǎn)生干擾;樣品厚度≥500μm,以保證樣品在測試過程中的穩(wěn)定性和足夠的衍射信號強度。c)樣品表面需平整(粗糙度≤1.5nm),無劃痕、污染,必要時需用無水乙醇超聲清洗去除表面污染物。A.3測試步驟:A.3.1儀器校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)樣品(如Si(111))校準(zhǔn)儀器的2θ零點和角度精度,確保衍射峰位置準(zhǔn)確。校準(zhǔn)過程中,需按照儀器操作手冊進行,保證校準(zhǔn)后的儀器滿足測試要求。A.3.2樣品裝載將樣品固定在樣品臺,調(diào)整樣品臺的水平與垂直度,確保超晶格材料的生長面與X射線入射方向垂直,以保證衍射信號的準(zhǔn)確性。可通過儀器自帶的調(diào)整裝置進行精細(xì)調(diào)節(jié),并用水平儀輔助檢查A.3.3衍射掃描a)進行對稱(004)ω/2θ掃描,設(shè)置步進為0.0005°,每點停留時間為2s。掃描范圍需覆蓋基底主峰及超晶格的-1、0、+1級衛(wèi)星峰,可先進行預(yù)掃描確定大致范圍,再進行精確掃描。b)在掃描過程中,準(zhǔn)確記錄零級峰與-1、+1級衛(wèi)星峰的位置(即對應(yīng)的2θ角度值)。c)對零級峰進行ω掃描(搖擺曲線):固定2θ為零級峰對應(yīng)的角度,掃描樣品角度ω,步長可設(shè)置為0.001°,每點停留時間3s,獲取搖擺曲線,用于分析晶體質(zhì)量。A.3.4數(shù)據(jù)記錄保存衍射強度(counts)與2θ(或ω)的關(guān)系曲線,導(dǎo)出數(shù)據(jù)格式為.txt或.csv,便于后續(xù)數(shù)據(jù)處理與分析。同時,記錄測試過程中的儀器參數(shù)、樣品信息等,確保數(shù)據(jù)的可追溯性。A.4數(shù)據(jù)處理根據(jù)記錄的-1、+1級衛(wèi)星峰與零級峰的位置,計算相鄰衛(wèi)星峰的2θ差值Δθ(取-1級與+1級衛(wèi)星峰的2θ差值的一半),再依據(jù)公式T/CAEEXXX—2025計算超晶格的周期厚度d,其中λ為CuKα1輻射的波長(0.15406nm)。A.4.1晶格常數(shù)分析根據(jù)布拉格方程結(jié)合零級峰的位置,計算超晶格材料的晶格常數(shù)。需區(qū)分超晶格與基底的貢獻,若基底衍射峰已知,可通過對比分析確定超晶格的晶格常數(shù)。A.4.2晶體質(zhì)量評估通過ω掃描得到的搖擺曲線,計算其半高寬(FWHM)。FWHM≤30arcsec為合格,F(xiàn)WHM越小,表明晶體質(zhì)量越好,可根據(jù)FWHM值判斷超晶格材料的晶體完整性和缺陷密度。A.5注意事項A.5.1測試過程中,需保持儀器工作環(huán)境的穩(wěn)定性,避免振動、溫度波動等因素影響測試結(jié)果。儀器應(yīng)放置在防震、恒溫的實驗室中。A.5.2樣品裝載時,需確保樣品固定牢固,防止在掃描過程中發(fā)生位移。同時,避免用手直接接觸樣品表面,以免造成污染。A.5.3若測試過程中出現(xiàn)異常信號(如假峰應(yīng)檢查儀器狀態(tài)、樣品質(zhì)量等,并進行重復(fù)測試驗證。A.5.4測試完成后,及時清理樣品臺,關(guān)閉儀器電源,按照儀器維護手冊進行日常維護。T/CAEEXXX—2025(資料性)可靠性試驗失效判據(jù)示例B.1電性能失效判據(jù)B.1.1開路電壓在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下,探測器的開路電壓與初始值相比,變化量超過±20%,則判定為失效。這是因為開路電壓的大幅波動會直接影響探測器的能量轉(zhuǎn)換效率和信號輸出穩(wěn)定性,無法滿足正常工作時對電壓信號的基本要求。B.1.2短路電流當(dāng)探測器的短路電流較初始值下降超過40%時,視為失效。短路電流是探測器接收紅外信號并進行光電轉(zhuǎn)換的重要指標(biāo),其顯著下降意味著探測器的光電轉(zhuǎn)換能力大幅減弱,難以有效探測目標(biāo)紅外信B.1.3暗電流及暗電流密度在規(guī)定的反向偏壓下,暗電流值超過初始值的3倍,或暗電流密度增加超過50%,判定為失效。暗電流及暗電流密度過大會增加探測器的噪聲水平,降低信噪比,導(dǎo)致探測器在弱信號探測時出現(xiàn)誤判或無法識別目標(biāo),嚴(yán)重影響探測精度。B.1.4響應(yīng)率響應(yīng)率與初始值相比,下降幅度超過35%,則判定為失效。響應(yīng)率直接反映了探測器對紅外輻射的敏感程度,下降過多會使探測器對紅外信號的響應(yīng)變得遲鈍,無法準(zhǔn)確捕捉到目標(biāo)

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