第11章_红外探测技术

null 第九章 红外探测技术 第九章 红外探测技术内容提要内容提要9.1红外辐射的基本知识 9.2 红外探测技术的研究与发展 9.3 红外技术的基本理论 9.4 红外探测器概述 9.5 几种常见的红外探测器 9.6 红外系统及其应用 9.7 红外技术在军事上的应用 总结与展望一、红外辐射的基本知识 一、红外辐射的基本知识 红外线的发现和本质 电磁波谱 红外辐射特性 1. 1800年 英国天文学家赫谢耳(Herschel)在研究太阳七色光的热效应时发现了一种奇异的现象:在红光外侧，确实存在一种人眼看不见的“热线”，后来称为“红外线”，也称“红外辐射”。 2.红外线存在于自然界的任何一个角落。事实上，一切温度高于绝对零度的有生命和无生命的物体时时刻刻都在不停地辐射红外线。 3.研究表明，红外线是从物质内部发射出来的，物质的运动是产生红外线的根源。由此可见，红外辐射的物理本质是热辐射。这种辐射的量主要由这个物体的温度和本身的性质决定。特别是，热辐射的强度及光谱成分取决于辐射体的温度，也就是说，温度这个物理量对热辐射现象起着决定性的作用。 一、红外辐射的基本知识一、红外辐射的基本知识电磁波谱 一、红外辐射的基本知识一、红外辐射的基本知识红外辐射特性 红外线是一种电磁辐射，具有与可见光相似的特性，服从反射和折射定律，也有干涉、衍射和偏振等现象；同时，它又具有粒子性，即它可以光量子的形式发射和吸收。此外，红外线还有一些与可见光不一样的独有特性: (1) 红外线对人的眼睛不敏感，所以必须用对红外线敏感的红外探测器才能接收到； (2) 红外线的光量子能量比可见光的小，例如10μm波长的红外光子的能量大约是可见光光子能量的1/20； (3) 红外线的热效应比可见光要强得多； (4) 红外线更易被物质所吸收，但对于薄雾来说，长波红外线更容易通过。二、红外探测技术的研究与发展 红外探测的研究意义 红外探测器及技术的发展 二、红外探测技术的研究与发展 红外探测器的发展红外探测器的发展温度计 热电偶 热电堆 测辐射热计 确立了红外辐射的基本定律，红外物理才作为一门独立的学科分支 本征型器件(例PbS探测器 ) 掺杂非本征型器件 三元化合物器件(例HgCdTe探测器 ) 多元线列红外探测器 扫积型HgCdTe器件(SPRITE探测器 红外焦平面列阵技术 红外技术的发展红外技术的发展19世纪：研究天文星体的红外辐射，应用红外光谱进行物质。 20世纪：红外技术首先受到军事部门的关注，因为它提供了在黑暗中观察、探测军事目标自身辐射及进行保密通讯的可能性。 第一次世界大战期间研制了一些实验性红外装置，如信号闪烁器、搜索装置等。 第二次世界大战前夕，德国：红外显像管； 战争期间：德国，美国：红外辐射源、窄带滤光片、红外探测器、红外望远镜、测辐射热计等。 第二次世界大战后：前苏联 50年代以后，美国：响尾蛇导弹上的寻的器制导装置和u—2间谍飞机上的红外照相机代表着当时军用红外技术的水平。前视红外装置(FLIR)获得了军界的重视，并广泛使用：机载前视红外装置能在1500m上空探测到人、小型车辆和隐蔽目标，在20000 m高空能分辨出汽车，特别是能探测水下40m深处的潜艇。 在海湾战争中，红外技术，特别是热成像技术在军事上的作用和威力得到充分显示。 小结： 小结：目前红外技术作为一种高技术，它与激光技术并驾齐驱，在军事上占有举足轻重的地位。红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。 在70年代以后，军事红外技术又逐步向民用部门转化。红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。 标志红外技术最新成就的红外热成像技术，它与雷达、电视一起构成当代三大传感系统，尤其是焦平面列阵技术的采用，将使它发展成可与眼睛相媲美的凝视系统。一、红外技术的基本理论 光度学（光通量、发光强度、照度等） ：以人眼对入射辐射刺激所产生的视觉为基础的 ，因此光度学的不是客观的物理学描述方法，它只适用于整个电磁波谱中很窄的(可见光) 辐射度学：它是建立在物理测量的客观量——辐射能的基础上的，不受人的主观视觉的限制。因此，辐射度学的概念和方法，适用于整个电磁波谱范围。 辐射度学主要遵从几何光学的假设，认为辐射的波动性不会使辐射能的空间分布偏离几何光线的光路，不需考虑衍射效应。同时，辐射度学还认为，辐射能是不相干的，即不需考虑干涉效应。 辐射度学的另一个特征是其测量误差大，即使采用较好的测量技术，一般误差也在3%左右。误差大的原因很多：一、红外技术的基本理论 辐射能具有扩散性 辐射与物质的相互作用 仪器参量和环境参量的影响null通常把以电磁波形式发射、传输或接收的能量称为辐射能，用Q表示，其单位为J。辐射场中单位体积中的辐射能称为辐射能密度(J·m-3)，用u表示，即 (9-6) 根据辐射能的定义，由于红外探测器的响应不是传递的总能量，而是辐射能传递的速率，因此辐射度学中规定这个速率，即辐射通量或辐射功率，为最基本的物理量，而辐射通量以及由它派生出来的几个物理量就作为辐射度学的基本辐射量。 1、红外辐射度学的基本辐射量 辐射能通量 辐射能通量就是单位时间内通过某一面积的辐射能，用Φ表示，单位为W，即 (9-7) 也可以说，辐射能通量就是通过某一面积的辐射功率P(单位时间内发射、传输或接收的辐射能)。辐射能通量和辐射功率两者含义相同，可以混用。1、红外辐射度学的基本辐射量 1、红外辐射度学的基本辐射量（续）1、红外辐射度学的基本辐射量（续）辐射强度 辐射强度用来描述点辐射源发射的辐射能通量的空间分布特性。它被定义为：点辐射源在某方向上单位立体角内所发射的辐射能通量，称为辐射强度，用I表示，单位为w／sr (瓦·球面度-1)，即 (9-8) 辐射强度对整个发射立体角(Ω)的积分，就得出辐射源发射的总辐射能通量，即 (9-9) 对于各向同性的辐射源，I＝常数，Φ＝4ЛI。 在实际情况中，真正的点辐射源在物理上是不存在的。能否把辐射源看作点源，主要由测试精度要求决定，主要考虑的不是辐射源的真实尺寸，而是它对探测器(或观测者)的张角。因此，对于同一个辐射源，在不同的场合，既可以是点源，也可以是扩展源。 1、红外辐射度学的基本辐射量（续）1、红外辐射度学的基本辐射量（续）辐亮度 辐亮度是用来描述扩展源发射的辐射能通量的空间分布特性。对于扩展源，无法确定探测器对辐射源所张的立体角，此时，不能用辐射强度描述源的辐射特性。 辐亮度的定义是：扩展源在某方向上单位投影面积A向单位立体角发射的辐射能通量，用L表示，单位为w·m-2·sr-1，即： (9-10)1、红外辐射度学的基本辐射量（续）1、红外辐射度学的基本辐射量（续）辐出度 对于扩展源来说，在单位时间内向整个半球空间发射的辐射能显然与源的面积有关。因此，为了描述扩展源表面所发射的辐射能通量沿表面位置的分布特性，还必须引入一个描述面源辐射特性的量，这就是辐出度。 辐出度的定义是：扩展源在单位面积上向半球空间发射的辐射能通量，用M表示，单位是w·m-2，即 (9-11) 1、红外辐射度学的基本辐射量（续）1、红外辐射度学的基本辐射量（续）辐照度 上述的辐射强度、辐亮度和辐出度都是用来描述源的辐射特性。为了描述一个物体被辐照的情况，故引入另一个物理量，这就是辐照度。 辐照度的定义是；被照物体表面单位面积上接收到的辐射能通量，用E表示，单位是Wm-2,即 (9-13) 辐照度和辐出度的单位相同，它们的定义式形式也相同，但它们却具有完全不同的物理意义。辐出度是离开辐射源表面的辐射能通量分布，它包括源向2空间发射的辐射能通量；而辐照度则是入射到被照表面上的辐射能通量分布，它可以是一个或多个辐射源投射的辐射能通量，也可以是来自指定方向的一个立体角中投射来的辐射能通量。2、红外辐射的基本定律 2、红外辐射的基本定律 1859年基尔霍夫(Kirchhoff)根据热平衡原理导出了关于热转换的著名的基尔霍夫定律。这个定律指出：在热平衡条件下，所有物体在给定温度下，对某一波长来说，物体的发射本领和吸收本领的比值与物体自身的性质无关，它对于一切物体都是恒量。即使辐出度M( ，T)和吸收比( ，T)两者随物体不同且都改变很大，但M( ，T)／( ，T)对所有物体来说，都是波长和温度的普适函数，即： (9-14) 各种物体对外来辐射的吸收，以及它本身向外的辐射都不相同。今定义吸收比为被物体吸收的辐射通量与入射的辐射通量之比，它是物体温度及波长等因素的函数。(，T) ＝l的物体定义为绝对黑体。换言之，绝对黑体是能够在任何温度下，全部吸收任何波长的入射辐射的物体。在自然界中，理想的黑体是没有的，吸收比总是小于1。 2、红外辐射的基本定律（续）2、红外辐射的基本定律（续）黑体辐射的量子理论——普朗克公式 19世纪末期，经典物理学遇到了原则性困难，为了克服此困难，普朗克(P1anck)根据他自己提出的微观粒子能量不连续的假说，导出了描述黑体辐射光谱分布的普朗克公式，即黑体的光谱辐出度为 (9-15) 普朗克公式代表了黑体辐射的普遍规律，其他一些黑体辐射定律可由它导出。例如，将普朗克公式从零到无穷大的波长范围进行积分，就得到斯忒藩—玻耳兹曼定律；而对普朗克公式进行微分，求出极大值，就可获得维恩位移定律。 2、红外辐射的基本定律（续）2、红外辐射的基本定律（续）黑体辐射谱的移动——维恩位移定律 普朗克公式表明，当提高黑体温度时，辐射谱峰值向短波方向移动。维恩(Wien)位移定律则以简单形式给出这种变化的定量关系。 对于一定的温度，绝对黑体的光谱辐射度有一极大值，相应于这个极大值的波长用m表示。黑体温度T与m之间有下列关系式 m T ＝ b (9-17) 这就是维恩位移定律。 2、红外辐射的基本定律（续）2、红外辐射的基本定律（续）黑体的全辐射量——斯忒藩--玻耳兹曼定律 1879年斯忒藩(Stefan)通过实验得出：黑体辐射的总能量与波长无关，仅与绝对温度的四次方成正比。1884年玻耳兹曼(Boltzmann)把热力学和麦克斯韦电磁理论综合起来，从理论上证明了斯忒藩的结论是正确的，从而建立了斯忒藩—玻耳兹曼定律。 Mb ＝σT4 (9-18) 上式称为斯忒藩—玻耳兹曼定律，式中，常数σ＝(5.6705l土0.00019)×18-8W·m-2·K-4，称为斯忒藩—玻耳兹曼常数。该定律表明：黑体的全辐射的辐出度与其温度的四次方成正比。 四、红外探测器概述 四、红外探测器概述 将不可见的红外辐射转换成可测量的信号的光敏器件就是红外探测器。 探测器作为红外整机系统的核心关键部件，探测、识别和分析红外信息。 今天的探测器制备已成为涉及物理、材料等基础科学和光、机、微电子和计算机等多领域的综合科学技术。 一个完整的红外探测器包括红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引出线以及按需要而加的光阑、冷屏、场镜、光锥、浸没透镜和滤光片等，在低温工作的探测器还包括杜瓦瓶，有的还包括前置放大器。按探测器工作机理区分，可将红外探测器分为热探测器和光子探测器两大类。 （一）红外探测器分类 （一）红外探测器分类 热探测器 光子探测器 热探测器与光子探测器热探测器与光子探测器热探测器是利用入射红外辐射引起敏感元件的温度变化，进而使其有关物理参数或性能发生相应的变化。通过测量有关物理参数或性能的变化可确定探测器所吸收的红外辐射。主要有热电阻型、热电偶型、热释电型和高莱气动型等几种型式。热探测器的主要优点是响应波段宽，可以在室温下工作，使用方便。热探测器一般不需致冷（超导除外）而易于使用、维护，可靠性好；光谱响应与波长无关，为无选择性探测器；制备工艺相对简易，成本较低。但由于热探测器响应时间长，灵敏度低，一般只用于红外幅射变化缓慢的场合。热探测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问。 光子探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光子效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。按照光子探测器的工作原理，一般可分为外光电和内光电探测器两种。内光电探测器又分为光电探测器、光电伏特探测器和光磁电探测器三种。光电探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但必须在低温下工作，而且探测波段较窄。1、热探测器1、热探测器(1) 热敏电阻 热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻。 (2) 热电偶 温差电现象制成的感温元件称为温差电偶(也称热电偶)。将若干个热电偶串联在一起就成为热电堆。在相同的辐照下，热电堆可提供比热电偶大得多的温差电动势。因此，热电堆比单个热电偶应用更广泛。 (3) 气体探测器 气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后会引起温度升高、压强增大。利用此原理制成的红外探测器叫气体(动)探测器。 (4) 热释电探测器 有些晶体．如硫酸三甘肽(TGS)、钽酸锂(LiTaO3)和铌酸锶钡(Sr1-xBaxNb2O6)等，当受到红外辐照时，温度升高，在某一晶轴方向上能产生电压。电压大小与吸收的红外辐射功率成正比。利用此原理制成的红外探测器叫热释电探测器。热探测器热探测器热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在着差异。 热探测器的响应速度决定于热探测器的热容量和散热速度。减小热容量，增大热导，可以提高热探测器的响应速度，但响应率也随之降低。2、光子探测器2、光子探测器(1) 光电子发射(外光电效应)器件 利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器件。如光电管和光电倍增管。光电倍增管的灵敏度很高，时间常数较短(约几个毫微秒)，所以在激光通讯中常使用特制的光电倍增管。大部分光电子发射器件只对可见光起作用。 (2) 光电导探测器 利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫做光电导探测器(简称PC器件)，目前，它是种类最多应用最广的一类光子探测器。 光电导探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类。多晶薄膜型光电导探测器的种类较少，主要的有响应于1~3μm波段的PbS、响应于3~5μm波段的PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶型和多晶薄膜型两种)。 2、光子探测器（续）2、光子探测器（续）(3) 光伏探测器 利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器(简称PV器件)。如果p-n结上加反向偏压，则结区吸收光子后反向电流会增加，它实际上是光伏效应引起的，这就是光电二极管、光电三极管。 (4) 光磁电探测器 利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器(简称PEM器件)。目前制成的光磁电探测器有InSb、InAs和HgTe等。光磁电探测器实际应用很少。 光子探测器能否产生光子效应，决定于光子的能量。入射光子能量大于本征半导体的禁带宽度Eg(或杂质半导体的杂质电离能ED或EA)就能激发出光生载流子。入射光子的最大波长(也就是探测器的长波限)与半导体的禁带宽度Eg有如下关系： 3. 热探测器与光子探测器的性能比较3. 热探测器与光子探测器的性能比较(1) 热探测器一般在室温下工作，不需要致冷；多数光子探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能。工作于1~3μm波段的PbS探测器主要在室温下工作，但适当降低工作温度，性能会相应提高，在干冰温度下工作性能最好。 (2) 热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长λc的红外辐射才有响应，是有选择性的探测器。 (3) 热探测器的响应率比光子探测器的响应率低1~2个数量级，响应时间比光子探测器的长得多。（二）、红外探测器的性能参数 红外探测器的工作条件 红外探测器的性能参数与探测器的具体工作条件有关，因此，在给出 探测器的性能参数时必须给出探测器的有关工作条件。 辐射源的光谱分布 工作频率和放大器的噪声等效带宽 工作温度 光敏面积和形状 探测器的偏置条件 特殊工作条件 （二）、红外探测器的性能参数（二）、红外探测器的性能参数（二）、红外探测器的性能参数1. 响应率 探测器的信号输出均方根电压Vs(或均方根电流Is)与入射辐射功率均方根值P)之比，也就是投射到探测器上的单位均方根辐射功率所产生的均方根信号(电压或电流)，称为电压响应率Rv (或电流响应率Ri )，即 Rv =Vs /P 或 Ri =Is /P 响应率表征探测器对辐射响应的灵敏度，是探测器的一个重要的性能参数。 2. 噪声电压 探测器具有噪声，与测量它的放大器的噪声等效带宽Δƒ的平方根成正比。为了便于比较探测器噪声的大小，常采用单位带宽的噪声Vn＝VN／Δƒ1/2。（二）、红外探测器的性能参数（续）（二）、红外探测器的性能参数（续）3. 噪声等效功率 入射到探测器上经正弦调制的均方根辐射功率P所产生的均方根电压Vs正好等于探测器的均方根噪声电压VN时，这个辐射功率被称为噪声等效功率，以NEP(或PN)表示，即 4. 探测率D 用NEP基本上能描述探测器的性能，但是，一方面由于它是以探测器能探测到的最小功率来表示的，NEP越小表示探测器的性能越好，这与人们的习惯不一致；另一方面，由于在辐射能量较大的范围内，红外探测器的响应率并不与辐照能量强度成线性关系，从弱辐照下测得的响应率不能外推出强辐照下应产生的信噪比。为了克服上述两方面存在的问题，引入探测率D，它被定义为NEP的倒数。 (9-23) 探测率D表示辐照在探测器上的单位辐射功率所获得的信噪比。 （二）、红外探测器的性能参数（续）（二）、红外探测器的性能参数（续）5. 光谱响应 功率相等的不同波长的辐射照在探测器上所产生的信号Vs与辐射波长λ的关系叫做探测器的光谱响应(等能量光谱响应)。通常用单色波长的响应率或探测率对波长作图，纵坐标为D*λ(λ，ƒ)，横坐标为波长λ。 理想的等量子光谱响应曲线是—条水平直线，在λ c处突然降为零。随着波长的增加，光子能量成反比例下降，要保持等能量条件，光子数必须正比例上升，因而理想的等能量光谱响应是一条随波长增加而直线上升的斜线，到截止波长λ c处降为零。一般所说的光子探测器的光谱响应曲线是指等能量光谱响应曲线。 null 实际的光子探测器的等能量光谱响应曲线与理想的光谱响应曲线有差异。随着波长的增加，探测器的响应率(或探测率)逐渐增大(但不是线性增加)，到最大值时不是突然下降而是逐渐下降。响应率最大时对应的波长为峰值波长，以λ p表示。通常将响应率下降到峰值波长的50％处所对应的波长称为截止波长，以λ c表示。 （二）、红外探测器的性能参数（续）（二）、红外探测器的性能参数（续）6. 响应时间 探测器的响应时间(也称时间常数)表示探测器对交变辐射响应的快慢。由于红外探测器有惰性，对红外辐射的响应不是瞬时的，而是存在一定的滞后时间。探测器对辐射的响应速度有快有慢，以时间常数来区分。 探测器对辐射的响应 为了说明响应的快慢，假定在t＝0时刻以恒定的辐射强度照射探测器，探测器的输出信号从零开始逐渐上升，经过一定时间后达到一稳定值。若达到稳定值后停止辐照，探测器的输出信号不是立即降到零，而是逐渐下降到零。 null决定探测器时间常数最重要的因素是自由载流子寿命、热时间常数和电时间常数。电路的时间常数RC往往成为限制一些探测器响应时间的主要因素。 探测器受辐照的输出信号遵从指数上升规律。 响应时间的物理意义是：当探测器受红外辐射照射时，输出信号上升到稳定值的63％时所需要的时间；或去除辐照后输出信号下降到稳定值的37％时所需要的时间。 对探测器响应时间的要求应结合信号处理和探测器的性能这两方面来考虑。当然，这里强调的是响应时间由载流子寿命决定，而热时间常数和电时间常数不成为响应时间的主要决定因素。 （二）、红外探测器的性能参数（续）（二）、红外探测器的性能参数（续）7、频率响应 探测器的响应率随调制频率变化的关系叫探测器的频率响应。当一定振幅的正弦调制辐射照射到探测器上时，如果调制频率很低，输出的信号与频率无关，当调制频率升高，由于在光子探测器中存在载流子的复合时间或寿命，在热探测器中存在着热惰性或电时间常数，响应跟不上调制频率的迅速变化，导致高频响应下降。大多数探测器，响应率R随频率的变化如同一个低通滤波器，可表示为 （三）、红外探测器的特性（三）、红外探测器的特性概述： 红外探测器的特性可以用三个基本参数来表示，它们是光谱响应范围、响应速度和最小可测辐射功率。 在说明探测器特性时，必须明确地指出测量条件，这点很重要，因为只有这样做，它们才能随意互换使用。 在测量探测器参数时，为了能预计它们在特殊条件下的特性，应该很好地了解它们工作时的物理过程。 （三）、红外探测器的特性（三）、红外探测器的特性在确定各参数时，需要测量探测器的几种特性，或者需要用几种技术来对某一特性进行测量。特别是在评价噪声等效功率时，需要测量两个量，即：探测器暴露在调制的黑体辐射源时产生的信号；遮蔽黑体辐射时探测器的噪声。 必须指出的测量条件是，辐射源的温度、调制频率和放大器的带宽。黑体温度需要化。这是因为发射辐射的光谱分布将决定探测器所“接收”的辐射量。500。K的黑体通常用来作为响应波长超过2微米的探测器的辐射源。因为探测器的信号和噪声都可能和频率有关，所以也必须指出调制频率。因为放大器的带宽决定了所测噪声的数值，所以它必须也是已知的。 （四）、红外探测器的使用和选择（四）、红外探测器的使用和选择为了使红外系统具有优良的性能，对红外探测器的一般要求是：①要有尽可能高的探测率，以便提高系统灵敏度，保证达到要求的探测距离；②工作波段最好与被测目标温度(热辐射波段)相匹配，以便接收尽可能多的红外辐射能；③为了使系统小型轻便化，探测元件的制冷要求不能高，最好能采用高水平的常温探测元件；④探测器工作频率要尽可能高，以便适应系统对高速目标的观测；⑤探测器本身的阻抗与前置放大器相匹配。 基于以上要求，在具体选用探测器时要依据以下原则：①根据目标辐射光谱范围来选取探测器的响应波段；②根据系统温度分辨率的要求来确定探测器的探测率和响应率；③根据系统扫描速率的要求来确定探测器响应时间；④根据系统空间分辨率的要求和光学系统焦距来确定探测器的接收面积。 五 、几种常见的红外探测器 五 、几种常见的红外探测器 光电导探测器 1. 本征光电导探测器 当入射辐射的光子能量大于或等于半导体的禁带宽度Eg时，电子从价带被激发到导带，同时在价带中产生同等数量的空穴，即产生电子—空穴对。这种情况称为本征光电导。 2. 杂质光电导探测器 掺杂半导体施主能级靠近导带，受主能级靠近价带。将施主能级上的电子激发到导带或将价带中的电子激发到受主能级所需的能量比本征激发的小，波长较长的红外辐射可以实现这种激发，因而杂质光电导体可以探测波长较长的红外辐射。五 、几种常见的红外探测器五 、几种常见的红外探测器3. 薄膜光电导探测器 红外光子探测器材料除块状单晶体外，还有多晶薄膜。多晶薄膜探测器(不包含用各种外延方法制备的外延薄膜材料)主要是指硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)和碲化铅(PbTe)。目前多晶薄膜红外光子探测器只有光电导型。 制备PbS多晶薄膜的方法有两种：一种是化学沉积法，另一种是真空蒸发法。前者是目前生产PbS所采用的方法。 光电导机理，势垒理论认为，当有入射辐射照射样品时，PbS薄膜产生本征激发，光生载流子使p-n结势垒降低，能克服势垒参与导电的载流子增多，因而薄膜的电导率增大。势垒的存在并不改变迁移率，能越过势垒参与导电的载流于仍具有同没有势垒存在时一样的迁移率参与导电。五 、几种常见的红外探测器五 、几种常见的红外探测器4. 光电导探测器的输出信号 null 无辐照时，在光电导探测器RD上的直流电压为 (9-26) 当光电导体吸收辐射时，设电阻的改变量为△RD，则在RD上的电压改变量为 (9-27) 令d(△VRD)／dRL＝0，得RL＝RD，即：负载电阻等于光电导探测器的暗阻时，电路输出的信号(含噪声)最大，此时输出的电压为 (9-28) 若RL不等于RD，则输出的信号和噪声同样减小，信噪比基本不变。但是红外探测器的噪声很小，由于输出电路失配而使输出噪声更小，这就要求前置放大器和整个系统具有更低的噪声。然而，红外系统是一个光机电一体化的复杂系统，要将系统噪声作得很低是困难的，因此，总是希望在保证信噪比高的同时，信号、噪声都相对大一些，这就要求负载电阻RL基本上等于探测器暗阻RD。增大加于探测器上的直流偏压可以增大信号和噪声输出，但所加偏压不能过大，只能在允许的条件下增大工作偏压。 光伏探测器光伏探测器光伏探测器的物理基础 P-n结在没有受辐射时，载流子的运动达到动态的相对平衡，p-n结间建立起一相对稳定的势垒。 p-n结受辐照时，p区、n区和结区都产生电子—空穴对，在p区产生的电子和在n区产生的空穴扩散进入结区，在电场的作用下，电子移向n区，空穴移向p区，这就形成了光电流。p区一側获得光生空穴，n区一侧获得光生电子，在结区形成一附加电势差，这就是光生电动势。它与原来的平衡p-n结势垒方向刚好相反，这就要降低p-n结的势垒高度，使扩散电流增加，达到新的平衡，这就是光伏探测器的物理基础。 SPRITE(Signal Processing In The E1ement)探测器 SPRITE(Signal Processing In The E1ement)探测器 这种新型红外探测器器件利用红外图像扫描速度等于光生载流子双极漂移速度这一原理实现了在探测器内进行信号延迟、叠加，从而简化了信息处理电路。它可用于串扫或串并扫热成像系统，但与热成像系统中使用的阵列器件不同。 阵列器件是互相分立的单元，每个探测器要与前置放大器和延迟器相连，它接收目标辐射产生的输出信号需经放大、延迟和积分处理后再送到主放大器，最后在显示器中显示出供人眼观察的可见图像。 目前国内外研制的SPRITE探测器，有工作温度为77K、工作波段为8~14m和工作温度为200K左右、工作波段为3~5m两种。将它用于热成像系统中，既完成探测辐射信号的功能，又完成信号的延迟、积分功能，大大简化了信息处理电路，有利于探测器的密集封装和整机体积的缩小。几种单晶半导体红外探测器 几种单晶半导体红外探测器 1. 锑化铟(InSb)红外探测器 InSb是一种Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体。它是适量的铟和锑拉制成的单晶。常用的InSb探测器有光电导型和光伏型两种。 电导型InSb探测器 ：性能最好的是工作于77K下的低温探测器。室温InSb的噪声由热噪声限制，但在77K工作的低温InSb探测器却具有明显的1／ƒ噪声。光伏型InSb探测器：InSb的禁带宽度较窄，室温下难以产生光伏效应，所以InSb光伏探测器总是在低温工作，常用的工作温度为77K。77K下工作的光伏型和光电导型InSb探测器的探测率都已接近背景限， 2. 碲镉汞（HgCdTe）红外探测器 Hg1-xCdxTe是由CdTe和HgTe组成的固熔三元化合物半导体，x表示CdTe占的克分子数。选择不同的x值就可制备出一系列不同禁带宽度的碲镉汞材料。 3. 锗、硅掺杂红外探测器 在三元系化合物碲镉汞和碲锡铅探测器问世之前，8~l 4m及其以上波段的红外光子探测器主要是锗、硅掺杂型探测器，它们曾在热成像技术方面起过重要作用。 几种主要的热探测器 几种主要的热探测器 这种物体吸收辐射，晶格振动加剧，辐射能转换成热能，使其温度发生变化从而引起物体的物理、机械等性能相应变化的现象称为热效应。利用热效应制成的探测器称为热探测器。 辐射被物体吸收后转换成热，物体温度升高，伴随产生其他效应，如体积膨胀、电阻率变化或产生电流、电动势。测量这些性能参数的变化就可知道辐射的存在和大小。利用这种原理制成了温度计、高莱探测器、热敏电阻、热电偶和热释电探测器。 热敏电阻的阻值随自身温度变化而变化。它的温度决定于吸收辐射、工作时所加电流产生的焦耳热、环境温度和散热情况。热敏电阻的应用较广，但基本的应用是测辐射热计。由于它的响应时间较长，不能在快速响应的红外系统中使用，但在如测温仪这类慢扫描红外系统中有着广泛的应用。 有不少光子探测器已接近背景噪声限，而热探测器离背景噪声限还很远。 PSD传感器 PSD传感器 位置敏感探测器PSD(Position Sensitive Detector) 是一种光电测距器件。PSD基于非均匀半导体“横向光电效应”，达到器件对入射光或粒子位置敏感。是一种对其感光面上入射光位置敏感的光电探测器,即当入射光点落在器件感光面的不同位置时,将对应输出不同的电信号,通过对输出信号的处理,即可确定入射光点在器件感光面上的位置。PSD由四部分组成：PSD传感器、电子处理元件、半导体激光源、支架（固定PSD光传感器与激光光源相对位置）。PSD基于pn结或肖特基结的横向光电效应,它不仅是光电转换器,更重要的是光电流的分配器。 PSD的显著特点有：位置分辨率高、光谱响应范围宽、响应速度快、位置信号与光斑大小形状及焦点无关，仅与入射光斑的光通量密度分布的重心位置有关；可靠性高，处理电路简单；受光面内无盲区,可同时测量位移及光功率，测量结果与光斑尺寸和形状无关；测量的位置信号连续变化,没有突变点,故能获得目标位置连续变化的信号,可达极高的位置分辨准确度；使用中不需要扫描系统，极大地简化了外围电路，实现了检测系统的成本低、体积小、重量轻及使用简便的目的。由于其具有特有的性能，因而能获得目标位置连续变化的信号，在位置、位移、距离、角度及其相关量的检测中获得越来越广泛的应用。 双色红外探测器 双色红外探测器 如果一个系统能同时在两个波段获取目标信息，就可对复杂的背景进行抑制，提高对各种温度的目标的探测效果，从而在预警、搜索和跟踪系统中能明显地降低虚警率，显著地提高热成像系统的性能和在各种武器平台上的通用性，满足各军、兵种，特别是空军、海军对热成象系统的需求。 一般两波段热成像系统可以两种方式构成：一是两个分别响应不同波段的探测器组件共用一个光学系统构成,二是用一个能响应两个波段的双色红外探测器(以下简称双色探测器)共用一个光学系统构成。 双色探测器可应用于：导弹预警，机载前视红外系统和红外侦察系统，武装直升机和舰载机目标指示系统，中、低空地空导弹的光电火控系统，精确制导武器的红外成像制导导引头，水面舰船的预警、火控和近程反导系统，双波段热像仪等等。 使用双色红外探测器的系统，能同时探测和处理两个波段的光谱信息和空间信息，大大提高了红外系统抗干扰和对假目标的识别能力。双色红外探测器已在搜索、跟踪系统中得到了广泛的应用，使用双色红外探测器的导引头可大大提高导弹的命中率。 双色红外探测器的结构 双色红外探测器的结构 用于预警、搜索、目标识别、跟踪等光电系统的双色探测器要求有高的探测率和响应率。因此，双色探测器就以量子效应工作为佳。探测战术目标的探测器都在300K的高背景光子通量的条件下工作，综合考虑制冷的代价和操作的方便性等因素，以探测器工作在液氮温度比较好，因此，高性能的双色探测器都选用本征型探测器。 从探测器光敏面的相对位置分类，双色探测器主要有以下叠层式、镶嵌式、并排式三种形式： 双色探测器按结构可分为平面式和叠层式两种。 从双色探测器的工作原理看，可分为4种： 1) 光电导效应；2) 光伏效应；3) 双峰效应； 4) 子能带间的共振吸收隧穿效应。 双色探测器的发展趋势 双色探测器的发展趋势 器件的发展趋势将集中在以下5个方面： (1) 集成式——集成化的双色探测器有利于简化系统结构，能充分利用半导体材料制备技术的最新成果，便于器件焦平面化，其中HgCdTe合金系和各种量子阱／超晶格材料系统将得到重点发展； (2) 焦平面——采用焦平面器件，能更好地满足系统的要求，同时也有利于简化系统结构； (3) 大阵列——为明显地提高系统性能，双色探测器将向大面阵和长线列发展； (4) 小型化——双波段系统将克服在光学设计和加工、信号处理和显示等方面的困难，缩小体积、减轻重量，以便扩大其应用范围； (5) 多色化——随材料、器件和系统技术的进步，双色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”热图象，使得到的目标信息更丰富、更精确、更可靠。其他探测器 其他探测器 光子牵引探测器是一种新型的红外光子探测器，利用半导体中的光子牵引效应制成，目前主要用于CO2激光探测。 量子阱超晶格红外探测器：如果用两种不同禁带宽度(或不同掺杂浓度)的半导体材料周期性地交替排列叠层在一起形成多层结构，这两种材料的导带与价带偏离将形成一系列势阱与势垒。国外首先发展了Ⅲ-V族超晶格材料，发现有可能延伸其响应波长至8~12m范围，成为HgCdTe的替代材料。例如GaAs-Ga1-xAlxAs多量子阱红外探测器。 多元探测器及焦平面器件：为了提高红外系统的作用距离、响应速度及扩大视场和简化光机扫描结构，红外探测器必然由单元向多元和焦平面列阵(FPA)器件方向发展。多元探测器的研制、从单线列开始，继而研制双线列及多线列阵列器件。使用多元探测器的红外系统与使用单元探测器的红外系统相比、系统的灵敏度提高了约一个数量级．同时简化了光机扫描，使系统由只能处理单个目标发展到能同时处理多个目标。高密度凝视焦平面器件的应用又使红外系统的灵敏度提高约一个数量级，是红外技术的一次重要飞跃，使红外技术更加显示出它在高新技术领域的重要性。null红外焦平面器件可分为混合式、单片式和Z平面等多种结构。混合式红外焦平面器件是分别制备红外焦平面器件和相应的信号处理芯片，然后互连而成。这种结构可各自获得最佳性能和充分利用成熟的硅工艺，但均匀性差，互连复杂。单片式结构是在同—种材料上同时制备光敏元件和信号处理元件。这种结构可以制备出元数多、均匀性好、价格较低的焦平面器件。Z平面结构是在Z方向将信号处理芯片采用叠层的方法组装起来。这种结构可扩大器件自身的信号处理功能，能更有效地缩小整机体积和提高整机的性能。 红外焦平面器件把红外辐射转换成电信号，如何读出相处理这些电信号就成为焦平面技术的一个关键问题。目前，焦平面器件信号的读取有用电荷耦合器件(CCD)、金属-氧化物-半导体(MOS)器件和电荷注入器件(CID)等几种方式，它们已能基本满足焦平面器件信号的读出。正因为如此，才使红外焦平面器件获得了成功的应用。六、红外系统及其应用 六、红外系统及其应用 1红外仪器的基本结构 主动的红外仪器 ； 被动的红外仪器 ：由景物发出的红外辐射经空间传输到红外装置上，红外装置的红外光学系统接受景物的红外辐射，并将其会聚在探测器上。探测器将入射的红外辐射转换成电信号。信号处理系统将探测器送来的电信号处理后便得出与景物温度、方位、相对运动角速度等参量有关的信号。 红外装置取得景物方位信息的方式有两种：一种是调制工作方式，—种是扫描工作方式。 null红外系统是包括景物红外辐射、大气传输以及红外仪器的整体。 红外系统的研究内容为分析计算景物的红外辐射特征量以及这些量在大气中传输时的衰减状况、根据使用要求设计适用的红外仪器。2、红外系统类型 2、红外系统类型 红外系统本质上是一个光学—电子系统，用于接收波长0．75 ~1000m的电磁辐射。它的基本功能是将接收到的红外辐射转换成为电信号并利用它去达到某种实际应用的目的。例如，通过测定物体的红外辐射大小，确定物体的温度等等。 1. 按功能分：有测辐射热计、红外光谱仪、搜索系统、跟踪系统、测距系统、警戒系统、通讯系统、热成像系统和非成像系统等。 2. 按工作方式分：可分为主动系统和被动系统、单元系统和多元系统、光点扫描系统及调制盘扫描系统、成像系统和非成像系统等。 3. 按应用领域分；可分为军用系统和民用系统。 4. 按探测器元件数分：被动式红外系统可分为第一代、第二代和第三代系统（真正的“凝视”系统 ）。 3、红外仪器的基本特性 3、红外仪器的基本特性 红外仪器最基本的功能是接受景物的红外辐射，测定其辐射量大小及景物的空间方位，进而计算出景物的辐射特征；至于红外搜索跟踪功能，则是在红外接受系统取得了景物基本特征信息后再由伺服机构加以完成的。 红外接受系统的性能主要指视场、探测能力和探测精度三个方面。视场表示红外仪器探测景物的空间范围。视场较大则相应的空间噪声增大，处理全视场信号所需时间较长或所需处理速度较快，因而会对仪器的探测能力及探测精度有所影响。探测能力包括红外仪器的作用距离、温度分辨率及检测性能等项参数，标示着仪器对景物探测的灵敏度。探测精度则指对空间景物的空间分辨率及目标的定位精度。探测灵敏度和探测精度是红外仪器的两项基本特性，它们由仪器的结构参数决定，同时也受仪器外部及内部的噪声和干扰制约。4 、红外仪器的应用 4 、红外仪器的应用 (1) 探测、测量装置 用于辐射通量测定、景物温度测量、目标方位的测定以及光谱分 析等。具体的仪器有辐射计、测温仪、方位仪以及光谱仪等。在目标探测、遥感、非接触温度测定、化学分析等方面广泛应用。 (2) 成像装置 用于观察景物图象及分析景物特性。具体的仪器有热像仪、热图检验仪、卫星红外遥感装置等。在目标观测、气象观测、农作物监测、矿产资源勘探、电子线路在线检测、军事侦察等方面广泛应用。 (3) 跟踪装置 用于对运动目标进行跟踪、测量及监控。具体的仪器有导弹红外导引头、机载红外前视装置、红外跟踪仪等。在导弹制导、火力控制、入侵防御、交通监控、天文测量等方面广泛应用。 (4) 搜索装置 用于在大视场范围搜寻红外目标。具体仪器有森林探火仪、红外报警器等，在森林防火、入侵探测等方面广泛应用。红外仪器需求情况 红外仪器需求情况 红外仪器在使用性能方面有更高的需求： (1) 高探测灵敏度：探测目标、最小可探测辐照度、噪声等效温差。 (2) 高定位跟踪精度。 (3) 抗干扰能力(智能化能力)。 上述需要的变化，促使红外仪器在工作机制、结构设计、信号处理方法等方面进行必要的改进。探测器从单元发展到多元线阵以至面阵，单元面积逐渐趋小；从信号调制机制转换到扫描机制；从单一视场转换到可变视场，从简单信息量到多信息量获取与处理是红外仪器发展的必然趋势。 5、 目标红外探测系统 5、 目标红外探测系统 探测系统是用来探测目标并测量目标的某些特征量的系统。 根据功用及使用的要求不同，探测系统大致可以分为五类： 1)辐射计； 2)光谱辐射计； 3)红外测温仪； 4)方位仪； 5)报警器。 探测系统的组成及基本工作原理探测系统的组成及基本工作原理 光学系统、探测器及信号放大器是探测系统最基本的组成部分。 对探测系统的基本要求 对探测系统的基本要求 从探测系统的功用来考虑，对探测系统主要有以下两点要求： (1) 有良好的检测性能和高的灵敏度 (2) 测量精度要高目标方位探测系统目标方位探测系统 来自目标的红外辐射，经光学系统聚焦在调制盘平面上，调制盘由电机带动相对于象点扫描，象点的能量被调制，由调制盘出射的红外辐射通量中包含了目标的位置信息。由调制盘出射的红外辐射经探测器转换成电信号，该电信号经放大器放大后，送到方位信号处理电路。方位信号处理电路的作用，是把包含目标方位信息的电信号进一步变换处理，取出目标的方位信息，最后系统输出的是反映目标方位的误差信号。 6、 红外跟踪系统 6、 红外跟踪系统 跟踪系统用来对运动目标进行跟踪。当目标运动时，便出现了目标相对于系统测量基准的偏离量，系统测量元件测量出目标的相对偏离量，并输出相应的误差信号送入跟踪机构，跟踪机构便驱动系统的测量元件向目标方向运动，消除其相对偏离量，使测量基准对准目标，从而实现对目标的跟踪。 红外跟踪系统与测角机构组合在一起，便组成红外方位仪。它通过装在跟踪机构驱动轴上的角传感器测量跟踪机构的转角，来标示目标的相对方位。这样在方位仪跟踪目标时，便可以测出目标相对角速度和目标相对方位。方位仪常用于地面或空中的火控系统中，给火控系统的计算机提供精确的目标位置信息和速度信息，从而提高火炮的瞄准精度。红外跟踪系统在导弹的制导系统中应用越来越广泛。 红外跟踪系统包括方位探测系统和跟踪机构两大部分组成。方位探测系统由光学系统、调制盘(或扫描元件)、探测器和信号处理电路四部分组成。 跟踪系统的基本要求 跟踪系统的基本要求 (1) 跟踪角速度及角加速度——跟踪角速度及角加速度是指跟踪机构能够输出的最大角速度及角加速度，它表明了系统的跟踪能力。 (2) 跟踪范围——跟踪范围是指在跟踪过程中。位标器光轴相对跟踪系统纵轴的最大可能偏转范围。 (3) 跟踪精度——系统跟踪精度是指系统稳定跟踪目标时、系统光轴与目标视线之间的角度误差。系统的跟踪误差包括失调角，随机误差和加工装配误差。系统稳定跟踪一定运动角速度的目标，就必然有相应的位置误差，这个位置误差还与系统参数有关。随机误差是由仪器外部背景噪声以及内部的干扰噪声造成的。加工装配误差则是由仪器零部件加工及装校过程中产生的误差所造成的。 (4) 对系统误差特性的要求——红外自动跟踪系统同其它自动跟踪系统一样，是一个闭环负反馈控制系统。为使整个系统稳定，动态性能好及稳定误差小，满足跟踪角速度及精度要求，对方位探测系统的输出误差特性曲线应有一定要求。 7 、 红外搜索系统 7 、 红外搜索系统 搜索系统是以确定的规律对一定空域进行扫描以探测目标的系统。当搜索系统在搜索空域内发现目标后，即给出一定形式的信号，标示出发现目标。 搜索系统经常与跟踪系统组合在一起而成为搜索跟踪系统，要求系统在搜索过程中发现目标以后，能很快地从搜索状态转换成跟踪状态，这一状态转换过程又称为截获。搜索系统就扫描运动来说，与方位探测系统中的扫描系统完全相同，但搜索系统要求瞬时视场比较大，测量精度可以低些。 红外搜索系统的组成及工作原理 红外搜索系统的组成及工作原理 虚线方框内为搜索系统，点划线方框内为跟踪系统，搜索系统由搜索信号产生器、状态转换机构、放大器、测角机构和执行机构组成。跟踪系统由方位探测器、信号处理器、状态转换机构、放大器和执行机构组成。 对搜索系统的基本要求对搜索系统的基本要求(1) 搜索视场——搜索视场是指在搜索一帧的时间内，光学系统瞬时视场所能覆盖的空域范围。 搜索视场＝光轴扫描范围十瞬时视场 瞬时视场是指光学系统静止时，所能观察到的空域范围。 (2) 重叠系数——为防止在搜索视场内出现漏扫的空域，确保在搜索视场内能有效地探测目标，相邻两行瞬时视场要有适当的重叠。 (3) 搜索角速度——搜索角速度是指在搜索过程中，光轴在方位方向上每秒钟转过的角度。在光轴扫描范围为定值的情况下，搜索角速度越高，帧时间就越短，就越容易发现搜索空城内的目标。但搜索角速度太高，又会造成截获(即从搜索转为跟踪)目标困难。8、红外热成像技术 8、红外热成像技术 红外成像技术已成为现代战争中多种武器的关键技术。因此国内外