红外探测器原理及技术-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
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红外探测器原理及技术
1. 红外探测器特性参数
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于所吸收的能量。
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、响应时间等参数描述。
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：
//d s n s n
HA P NEP V V V V == （1-1） 其中：
H ：辐照度，单位W/cm 2；
d A ：探测器光敏面面积，单位cm 2；
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，系统并不能可靠的探测到。在设计系统时通常要求最小可探测功率数
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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：
1D NEP
= (1-2) 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。
——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。可定义：
1/2
1/2()*()d d A f D D A f NEP
?=?= （1-3） 单位：1/21cm HZ W -??
D*的物理意义可理解为1瓦辐射功率入射到光敏面积1cm 2的探测器上，并用带宽为1HZ 电路测量所得的信噪比。D*是归一化的探测率，成为比探测率，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。
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1.3单色探测率和D**
1.黑体探测率和单色探测率
测量D*是如采用黑体辐射源，测得的D*称为黑体D*，有时写作D*bb 。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D*bb (500K,800)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D*λ。
2. D**
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，往往在探测器我加一个冷屏。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**，对探测器视角进行归一化处理。
1/2**()*D D π
Ω= （1-4） 单位1/21cm Hz W -?
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，Ω=π，D**=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，这样可真实反应探测器本身的探测性能。
D**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测率。使用者只需注意探测器的视角是否会限制和光学系统的孔径角，以及冷屏的屏蔽效率。
1.4 背景噪声对探测率的限制
光子探测器和热探测器比探测率的最终极限将受背景噪声的限制。
对于光电导型探测器，D*的理论极大值为：
*1/2181/2() 2.52?10()2b b D hc Q Q λλ
ηηλ== （1-5）
式中：h 为普朗克常数，c 为光速，λ为波长（微米），η为量子效率，b Q 为入射到探测器上的半球背景光子辐射发射量。
对于光伏探测器，由于没有复合噪声，上式应乘，即
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*181/23.5610()b D Q λη
λ=? （1-6）
光子探测器已有不少接近背景限。
对于热探测器，背景辐射的起伏将引起探测器温度的起伏，并且探测器本身辐射也将引起统计性温度起伏。如果信号辐射引起的温度变化低于这两种起伏，就探测不到信号辐射。温度起伏也是一种噪声，受温度噪声限制的热探测器的等效噪声功率为：
NEP = （1-7）
式中：G 为响应元与周围环境的热导。
在300K 时，如相应元面积为1mm 2，带宽1Hz ，D*极限值为：
D*=1.81×1010c m ·Hz 1/2·W -1
目前，热敏电阻探测器由于受1/f 噪声和电阻热噪声的限制，其探测率与极限值尚差两个数量级。但是对热释电探测器来说，由于它不是电阻型器件而是可以看作电容性器件，不受热噪声限制，电流噪声也较小，因此它的探测率与极限值相差已不到一个数量级。
1.5 响应率
响应率等于单位辐射功率入射到探测器上产生的信号输出。响应率一般以电压形式表示。对以电流方式输出的探测器，如输出短路电流的光伏探测器，也可用电流形式表示。
6 电压响应率s s v d V V R HA P
==，单位为V/W 。 电流响应率s s d I I Ri HA P =
=，单位为I/W 。 因为测量响应率是不管噪声大小的，可不注明只与噪声有关的电路带宽。响应率与探测器的响应速度有关，光子探测器的频率响应特性如同一个低通滤波器，在低频段响应较为平坦，超过转角频率后响应明显下降。一般均在低频下测量响应率，以消除调制频率的影响。
表面上看，只要探测率足够高，探测器输出有足够的信噪比，信号较弱时可以用电路放大的方法弥补的。实际上响应率过低，就必须提高前置放大器的放大倍率，高倍率的前置放大器会引入更多噪声，如选用探测率较低但响应率高的探测器，系统的探测性能可能更好一些。因此，对系统设计者来说，探测器的响应率和探测率是同样值得关注的。
1.6 光谱响应
探测器的光谱响应是指探测器受不同波长的光照射时，其R 、D*随波长变化的情
况。设照射的是波长为λ的单色光，测得的R 、D*可用R λ、*D λ表示，称为单色
响应率和单色比探测率，或称为光谱响应率和光谱比探测率。
如果在某一波长F λ处，响应率、探测器达到峰值，则F λ称为峰值波长，而R λ、*D λ分别称为峰值响应率和峰值比探测率。此时的D*可记作*(,)F D f λ，注明的是峰值波长和调制频率，而黑体比探测率*(,)bb D T f 注明黑体温度和调制频率。