第二章红外探测器上

2.1红外探测器的发展及分类1.红外探测器的发展2.分类2.2红外探测器的性能参数2.2.1红外探测器的主要工作条件2.2.2红外探测器的性能参数2.2.3红外探测器性能参数的测量2.3热探测器2.4光子探测器2.5典型的光子探测器第二章红外探测器意义：红外系统的核心元件原理图红外辐射能转换器电能可测量的物理量（电压、电流及材料的性质变化）红外探测器红外探测器系统的特点红外探测系统可以无源方式工作与雷达相比：具有结构简单，体积小，重量轻，分辨率高，抗干扰能力强等优点；与可见光设备相比：具有透过烟尘能力强，可昼夜工作等特点。红外探测器作为整个红外探测系统的核心，种类繁多，性能各异，适用于不同的工作领域。1.红外探测器的发展

早期中期近期空空红外导弹机载红外武器系统焦平面阵列2.1红外探测器的发展及分类红外探测器的研究方向：提高单元器件的性能(高速宽带响应、低噪声);增大红外焦平面探测器阵列面积；提高红外探测系统的灵敏度;克服系统在光学设计和加工、信号处理和显示等方面的困难，缩小体积、减轻重量，简化系统结构，降低成本;随着材料、芯片和系统技术的进步，红外探测器将向更多的光谱波段发展，既包括拓宽光谱波段，也包括将光谱波段划分成更为细致的波段，以获得目标的“彩色”热图像，从而更丰富、更精确和更可靠的获取目标信息。根据工作机理分类：热释电红外探测器热探测器光子探测器温差电偶（堆）热敏电阻气动探测器光电导光伏光磁电光电发射其他的分类标准：工作温度、响应波长、结构、用途热效应光电效应2.分类2.2红外探测器的性能参数2.2.1红外探测器的主要工作条件（1）入射辐射的光谱分布（单色，黑体，大气和光学系统）（2）电路的频率范围（噪声电压，噪声）（3）工作温度（半导体探测器）（4）光敏面的形状和尺寸（信号和噪声）（5）偏置情况（6）特殊工作条件＊探测器的性能参数与其工作条件密切相关给出性能参数时，必须注明有关工作条件红外探测器的性能参数

探测器的输出信号S与入射到探测器的辐射功率P之比，称为响应度，记为R。1.响应度（响应率）信号S一般为电压信号或电流信号，对应响应度的单位分别为V/W，A/W表示探测器把红外辐射转换成电信号的能力（2-1）注意：＊在测量响应度时，常用的辐射源为500K黑体，测得的响应度用R0表示；＊如辐射源为单色光（波长为λ），则测得的响应度记为R0λ；＊响应度随调制频率的变化叫做探测器的频率响应。测试时，需注明调制频率、工作温度、光敏面面积、入射的辐射功率2.响应外时间τ物理涝意义仅：当泉探测务器受深辐射振照射市时，饰输出郑信号种上升斯到稳算定值无的6登3%运是所则需要野的时胸间。在某讽一时旱刻（袍t=墓0）唇以恒贫定辐陡射去外照射伟探测裳器，招其输悦出信币号Ut按指饥数规论律上术升到派一个猫稳定促值U0：（2狗-2镇）响应洋时间τ表征涝着探梦测器相对辐梁射响缸应的淘快慢院，这奇个参麦数越抗小越吼好。对于脂调制挺频率渗为f的正地弦辐罢射，怒交流扬响应青率Rf与直内流响绿应率R0之间统有如暴下关司系:（2医-3炉）知道τ即可路画出望探测低器的封频率态响应什曲线零；由行频率康响应哄曲线您也可梅以确任定τ的值R0就是现直流那响应亮度，般当舱时碑，（2略-4迁）Rf=泉0.开71R0称这愁时的喜调制搂频率狠为探大测器泄的最高罗响应近频率3.思噪声累等效傍功率当辐六射在练探测疾器上塘产生学的信豆号电罪压正号好等驳于探而测器莫本身寨的噪就声电俯压值蔽时，惕所需秧投射悬到探鸦测器灯上的议辐射级功率脸称作愁为探尽测器烦的噪声寄等效宰功率，即P式中花，E是投嚼射到孩探测涉器光恨敏面禾上的安辐照疼度A是探顽测器搬光敏铸面面愉积S/N是探亲测器结输出定信号嫌电压微与噪喜声电词压之修比（2侵-5凝）＊N叼EP测的量慈纲为闸W,NE候P标乘志探著测器氧所能周探测暂的最制小功晨率由响应度的定义,得

等效舟噪声吨功率烧的另种一表老达式团：（2揪-6犯）等效声噪声神功率笛NE拒P与粮探测取器的嘴噪声捷值N恒成正长比，与探论测器部的响判应度莫R成涌反比哄。NE薯P越贸小，含探测闭器性苍能越童好与人们“越浩大越沸好”的习景惯不卫符4.透探测剃率定义底：（2班-7情）单位断：W-1表示炊每瓦疫的辐肠射功录率所盒能获腊得的拥信号束噪声塌电压盲比大部切分探刷测器浅的N类EP疗与探塞测器榴的面息积A的平窝方根饿、带框宽Δf的平这方根成正邮比。因围此，圾仅用等效职噪声斑的数饭值很难裹来比村较两倦个不亦同来葵源的嘉探测要器的松优劣冤。归一白化探想测率怀（星瓦探测逝率）D*实际辆上就还是当烧探测虚器的概敏感辣元具季有单显位面金积，锄放大扒器的鹅测量牢带宽灾为1桑Hz钩时，冈单位续辐射彼功率顺所能益获得编的信罪号噪蝇声电沫压比

D*的单位：不足：在量溪纲中席出现赌了功头率的自倒数仍，与怪实际骗不符捡，故在杆实用溜中噪帜声等轮效功乳率仍恋是有佩用的等性能免参数杀。现在勉人们鉴说探辱测率理，一但般就州是指撤归一扯化探轿测率（2幼-8跳）优点凤：能对屿不同离敏感苹面积慈的同拨一类闯探测型器进强行比似较5.灿探测甘器的乓光谱肺响应探测妙器的笨光谱辫响应机是指坟探测求器受默到不倾同波求长的榜光照掉射时值，响应寒率R耽随入味射辐膏射波烛长的轨变化驶的情管况。探测俊器的饱光谱卧响应（理凳想曲装线）（A烟)光态子探伐测器走（永B）剃热探众测器？热探丝式测器握：理论羊上，熊对辐射疼波长微是无档选择缺性的单色遣归一垒化探每测率北Dλ*可批以写丹成（数理想似情况兵）：Dλ*=系Dλ光子缩慧探测庭器,当λ≤λc

,当λ＞λc光子吐探测司器对础辐射购的波挡长有篇选择双性，暮存在柱着长萍波限颠λc。还需悠注意钥的问脾题：探测贤器内添阻的塘问题辰，因粗为在哨与放为大器吹连用俗时，湖要考谅虑到阻抗添匹配。探测仆器的接收单面积，因僵为在损与光忘学系圆统匹纷配时喘必须袋要考碑虑到路探测滩器接弊收面粘积的低大小绪，一先般应草使探隙测器负接收手面积钳与光遮学系蕉统成侧像大构小相句同。探测胞器的元响应画度与声辐射晶强度阁之间纷是否卧是线性执关系。探测聪器接肝收面献上响腥应度是否东均匀。红外延探测策器性潮能参宅数的凑测量1.杆探测鄙率D败*的接测量关键夕器件这及作电用1）温度权控制胞器：使得轿黑体暑稳定梢的辐默射；2）冷屏：限制例黑体掉表面着的红塑外辐弃射对桃探测另器的托影响嚼，使滩得探蜂测器持只探旧测到手从小往孔辐敌射的基红外撤线；3）调制敢盘（削斩波冒器）：要求蓬实现掌简谐百调制饼，有绩利于乒放大4）直流布电机：要求急大范晌围的析调整闻电机讯转速鞠时要玻用直肢流；交流黎电的差噪声猎很大慌，对虫探测柏器的居影响直很大5）前置霉放大迹器：低噪丑声，绸要求牺所有村电路察的噪篮声小张于探浓测器瞒的噪炸声；对前完置放温大器玩的噪疯声和湾放大均率要背求很捧高6）噪声环电压明表：要求卸带宽莲很宽馋，动肝态范棚围大只，积躺分时扁间＊对楼斩波松器的送要求冠:实现济正弦咳调制：Rw:艰旋转祝中心钳到光意束的应距离咱；R:趁光束无半径及，r:朝斩波初器的铸齿距＊对臂噪声良电压再表的银要求耽：1）带宽很宽2)备动态使范围鹅大：犹是整虑个噪镜声范王围的古（4聋～1侧0）荷倍3）续积分冬时间郊：通赖常把脉积分决时间夫从最洞小值竟开始绒逐渐分增加醉，直到宿得到集一个忌稳定锐的读椅数其中韵，（表吩示黑辛体引引起的荡照度首增加娇量）A1是黑状体辐情射孔览的面咳积d是黑摩体辐耳射孔顾到探肆测器僻光敏穗面的堤距离T是黑倡体温举度，蝇50恳0KT0是环境盾温度测量框原理既：（2蝇-9吉）Stefan常数.

对实际测试装置，ΔE固定，探测器光敏面面积A由研制者提供，△f可以选择，

实际需要测量的就是VS、VN（1）打开黑体温控系统，待其温度稳定后（约半小时），（2）打开斩波器，调整波分析仪的中心频率，使之与斩波器的中心频率相一致；调制频率在480Hz左右,选定Δf,调整波分析仪的通带中心频率使输出电压最强，该电压就是信号电压VS（2）用不透明的室温板遮住黑体辐射孔，输出电压为VN（3）将测量结果代入式（2-9）即求出D*测量程序＊可同吓时测投出响炎应率K：前浊置放捡大器厅倍数1081012不同夹探测泰器的愈归一想化探开测率券随波馒长的锈变化量级头：2.茶光谱丢响应临的测世量方鸭法相对榴响应

istheresponseofdetector

atthespectralpeakwavelength

is暂t喂here功sp慕on矮se捏s听pe恶ct眉ra枣.测量辨相对好光谱百响应别的实锻验装掏置方特框图响应笋度或驻探测派率随民入射稳波长歇的变构化光源杆光谱侍曲线罗＋探测窗器响睡应曲备线关键启器件厕及作差用红外减源：Ne出rn滴st模灯的特趁点：低温野时阻飞值很科小，别需预吴热，码待温怠度升塔高、垒阻值蚀变大给后才屈能通醋电且雁需限霜流；1～障15浮微米Ne样rn黄st僚灯州本身殖辐射该的能烛量和嚼波长纽奉有关，所史以实中际测姓量时径需要沃测定辫光源茶光谱掘和探卵测器闹响应线光谱翅两曲程线，击以后靠者除抖以前件者，羡才能走得到毙探测舱器的盘相对虏光谱桃响应肾曲线光源不光谱湿可用对波均长无短选择蒜的真寺空热皆电偶来测韵得wa争ve诉le跟ng速thre锅sp狡on临si抛vi问ty单色泄仪功能芝：将床不同絮波长裤的光宵分出勺来给语探测吉器特点鬼：信浴号非倦常微借弱，税需要扯用锁早相放烟大器锁相筋放大倾器具究有强劣大的徒能力耀从噪毅声中气检测取出被任掩埋昆的信嗽号锁相什原理phase-lockedloopfiVdfofoPDVCOPD：pha罢sedis剂cr议im孔in童at但or洁，鉴极相器LP书F：LowPas橡sFil蠢te衣r，萄低通能滤波恨器VC康O：Vol证ta趋geCon舍tr双ol奋le悼dOsc傅il仪la通to絮r电压旬控制炮振荡奥器锁相卸环的杯核心要：VC尼OVC揭O的越核心但：变未容二格极管晚（v弯ar币ic设ap丹）VC河O菜频星率受昌控于密电压锁相挽过程phase-lockedloopfiVdfofoPDVCO反向检偏压耗尽班区厚惭度电容最终掘锁定吧结果喊是PD的两给路送中入信工号频垫率相怀等Figure6-10Frequencymultiplying

loopFigure6-10Frequencydividingloop测量跳程序﹡Ne因rn汪st乱灯锁预热﹡改变迁单色绿仪的尚输出谢波长,脚得到V(桐λ)﹡利用批热电仅偶或绳热电匙堆测缺量--未光源波的辐绿射谱R(λ)﹡V(暂λ)/R(λ)火-半--响应雷谱RV(λ罚)代表专曲线峰值蒙波长截止拼波长曲线3.组响应晴时间板的测莫量矩形锻辐射脑脉冲肆法适用觉条件庆：红很外探姻测器拾的时捎间常店数约毫在5椒0m绩s～诉10糠-2柿μs蜡之间千时，都可以用矩浊形辐塑射脉世冲法皆进行懒测量获得胁矩形蜓脉冲掩的方穷法：（1糠）对伞响应漆较慢锅的探累测器可用半圆亡形调书制盘，脉距冲上猪升时关间比淹探测紫器响验应时移间短浩；（2最）对烘响应波较快絮的探粱测器裹（响更应时舰间<乡丰10梨μs彩）常用旋转妙反射赔镜（脉吵冲上桂升与朱下降修时间朱可低灯到1侵0-号8μ劝s）解。频率禽响应找法适用便条件甲：适熄用于胡测量导大于排10只μs输的时呜间常斜数；测量吩装置沸：与园探测丸率的径实验迁装置想相同旋，须用命一个伸变速废马达咐来改屑变调盗制频片率，切并用衣真空亏管伏青特表醒来测消量输体出电拾压信号敬随频午率的抖变化在横爪坐标云上取启两个冷适当默的频盈率f1、f2，从纵充坐标讲上得炎出对俗应的愈信号缠值S1、S2，则器岸件的邪响应虫时间杠由下卖式算敞出：S1、S2必宁须在确相差上10药%以德上，否则时误差葛较大镰。2.溉3较热探吸测器机理利用拨辐射蚂的热效哨应，通圾过热电淹变换来探籍测辐娱射。萌入射血到探岗测器模光敏核面的称辐射摸被吸蹦收后杆，引模起响叙应元有的温擦度升虹高，皆响应偶元材饼料的扣某一傍物理戴量随取之而唯发生侦变化伴。利端用不眼同物群理效撕应可朴设计苗出不西同类球型的唉热探矩测器询。热探稼测器朱也通圾称为能量戚探测虏器辐射往→温烟度变占化→爸材料愿物理腥量变谅化热探测器热电偶（堆）：温差电效应

热敏电阻：电阻温度效应

热释电：热释电效应

气动探测器（Golaycell)主要狡类型宇：1.扮热扶敏电扭阻工作誓原理余：阻兴值随屈温度里改变皮而改班变温度↑电阻↑正温开度系满数（昂）艰金属温度↑电阻↓负温砍度系影数（右）出半导浙体热敏犹电阻锈的灵纹敏元继可是类由锰虎、钴火、镍典金属顾氧化坑物按待一定奔比例贞混合傻压制剑成型简，高牛温烧毛结而核成定义厦电阻娘温度低系数吸收稿红外山辐射热敏怜电阻贴的温土度升请高电阻务值变低化输出仇电压尸改变群（工身作电锻路配前合）基本家结构工作忽原理缺：当热赵敏薄往片的垦温度另升高届到使由热锋传导眯所损批失的槽热功极率等于薄片粪所吸伞收的虏辐射侨功率时，年薄片田的温懒度就伶达到蛮一个食稳定爷值，疤薄片华的电卡阻也麦随之毫达到同一个榜稳定过值。热敏霜电阻窃探测蚂器的响应疏时间：从辐眉照开冶始到摩稳定同状态醋的时献间响应玻度大温升捷大、破电阻箩温度昏系数机大要求如果泄衬底蛛热导孟较小燃（传碍热慢勇），徐温升亏可以该较大然，但衫达到违稳定狭状态呀需要睁的时牺间就宋比较先长需要址在响移应度店与响勉应时瞒间之脾间进册行折源中使用但时，亚需要毕在薄箱片上符加偏置父电压，使合得薄专片的架温度赴在没进有辐南照时恒就比皆环境饲温度撕高几云度，鱼利于梯热量戚的导踏出。注意砍：测辐胜射热轨敏电瘦阻的探测韵率与红粘外辐寒射波浇长、努器件爪光敏月面面伤积和烧阻值粥均无笔关，借而与材投料常普数、符光敏隶面的盗吸收凉率、饭环境退温度邮、工中作温观度、印衬底舅的热芽导率热及衬印底的耻厚度缸有关倒。存在骗一个阈值扩温度，当语薄片鲁温度其高于帽阈值算时，热敏瓦电阻饥自行宜烧毁蒜。2.热电议偶（乐堆）温差偷电效楚应当两隆种不边同的焰金属昂或半封导体筛材料趋连接勾成一鞭个闭拆合电老路，刮并使贯一个源接头遍的温敌度T高于脱另一突个接案头的伸温度T0，那么么，谨在闭丘合电息路中籍便有咳电流岭流过粗。这个偿效应末于18涝21年由助塞贝孙克发千现，晋故称膜为塞贝符克效渐应。温差猫电动赔势定义塞贝何克系誉数单位及：V亲/℃例：届在由趁康铜杜和铁贩构成讲的电钱偶中货，两含接头文点的窄温差交为1舟℃鞭时，坑产生烦的电浆动势比为5怒.2逐×10-5V帕耳猪帖效宿应当两极种不义同的其金属惨或半滔导体母材料畏1和抄2连接通字以电弄流，在接毒头处我便有荷吸热猎或放胖热现号象.这个锅效应皆于18怠34年由民帕耳仰帖首返先发烤现，烘故称循为帕耳读帖效翁应单位定时间荐内接喜头处讲吸收铅的热线量与目电流勾成正庙比:式中瘦，Π12称为帕耳察帖系集数帕耳告帖效跃应是既可逆还的，即汤姆碗逊效券应当存骆在温度顽梯度的均采匀导烧体中通有速电流时，坦导体谋中除备了产莲生和恐电阻寺有关方的焦靠耳热柔以外聚，导销体的快各部趟分就冤会变束冷或踏变热铁，因闸此原垂来的秀温度毅分布施就会警改变舅。为妨维持停原有骡的温丧度分乏布，汇导体烘各部躲分必句须吸轰收或怪放出家热量杂，这智个效穷应称皂为汤姆奋逊效兔应。若电葱流是奥由温叛度T收流向剂T+盈dT冈处，羊则单孟位长忽度内旧的吸区热速距率为τ为汤姆泳逊系爸数汤姆送逊效采应也葡是可慢逆的三种买温差如电效窗应不喉是独位立无皱关的舰；塞贝劣克系袖数、榜帕耳慕帖系颂数、肉汤姆昂逊系萝数之喷间存铅在开耳裳芬关挥系说明臣：（1欺）为才了提裹高测柔辐射洞热电礼偶的羽电压坝响应僚度，浓除了暖应尽仿量提跟高塞毙贝克啄系数α12外，境还应瞒当降预低热炭电偶滚两臂坛的热垮导和羡电阻材。（2议）响隶应度帜和响阳应速急度之霉间是猴互相吉制约紧的,蓬不可惊同时嘴改善培：其中泳，H碌为暑辐照涉面的慨热容厅量；m为径负载测电阻稀R与按热电拴偶电胀阻r纵之比午；每个过热电摆偶受洞照面宴的热明容量碰H可片以做散得比认较小屯，而松整个壁受照弄面比净较大效，这句样可妻以使寨热电挂堆的滚性能优于热电讨偶把辐柏照面族分成村若干擦块，询每块论接一品个热兄电阻永，并坦把它劈燕们串洁联起总来，哗构成热电格堆热电夺堆分献为：块材狠料器范件薄膜烘器件3.毛热释坑电探延测器热电宪晶体在具万有非锻中心觉对称础结构虽的极过性晶爸体中妻，即眯使在皮外电致场和阻应力绢均为前零的肃情况梅下，额本身瞒具有矮自发谋极化笨，自发泪极化抹强度为Ps，是现温度斯的函申数。扛温度续升高气时，Ps减小描，当进温度锡高于居里蓝温度Tc时，Ps=0坊。具印有这睬种性否质的逃晶体抹称为热电浆晶体。硫酸交三甘雷肽（捉TG胡S）靠、铌戴酸锶副钡（创SB傲N）福、钽买酸锂乖、铌场酸铌最敏飞感的豆热电饥材料温度堡高于居里迷温度Tc时，范自发乏极化纸强度Ps=0脊。硫酸矩三甘发肽（历TG续S）啦、铌历酸锶羞钡（销SB陡N）热电陈系数：自怎发极弹化强独度随项温度脆的变取化率单位简：C斩·c帽m-2K-1（2质）热嘉释电帐效应自发限极化热电著晶体蜓表面乐出现这面束珍缚电棒荷稼：面束危缚电智荷常毕被（耀晶体策内部研和外耽部）处自由晨电荷播中和平时但是吗，中暑和所锈需时疼间很仔长-肚--耍-秒欠级自发轧极化峡的弛对豫时态间很洗短-脖--扮--捕10-1崭2S晶体晨温度吼以一绳定频盛率变鸡化时啦，来蓬不及税中和纤，面店束缚亏电荷物密度净必然树以同姐样的足频率让出现释周期帜性变贿化，披并产拥生一寇个交态变电戏场。纱——热释诞电效俘应*热团释电炮探测膀器是昂一种配交流虎或瞬侵时响垂应的稿器件设1/晨f足借够小，在在垂直查于P趟s的姥两个起端面望涂上怀电极术，并元通过铃负载翠连成窗闭合骑回路惩，回砍路中茶就会手有电艰流流般过，眯而且延在负悲载两认端产懂生交萌变的喘信号副电压混。工作怖原理吩：二、英热释葡电探蓬测器溪的基摧本工这作原汇理用调制遇频率艳为f的红谦外辐射射照裹射热青电晶怜体…兆…