紅外探測(cè)器探測(cè)率的研究與分析

徐麗娜,董 杰,戴立群,賈慧麗

(北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

1 引 言

長(zhǎng)期以來(lái),以光學(xué)遙感器為核心研究?jī)?nèi)容的航天光學(xué)遙感技術(shù)是航天技術(shù)的重要組成部分[1]。紅外探測(cè)器是紅外光學(xué)遙感器的核心組成部分,紅外探測(cè)器的研究始終是紅外技術(shù)發(fā)展的核心。提高空間紅外遙感器噪聲等效溫差(溫度分辨率NEΔT)的一個(gè)重要途徑是提高探測(cè)器的探測(cè)率D*,而限制探測(cè)器D*的關(guān)鍵因素是器件的信噪比,可見D*是紅外探測(cè)器的重要參數(shù)。無(wú)論在軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域,紅外探測(cè)器D*尤為重要,因此,對(duì)紅外探測(cè)器D*的研究具有重要意義。

作為空間紅外光學(xué)遙感器的核心器件,目前國(guó)內(nèi)對(duì)紅外探測(cè)器D*的研究也很重視,從很多方面對(duì)紅外探測(cè)器D*進(jìn)行分析。噪聲、輻射源溫度、背景輻射、積分時(shí)間、測(cè)試方法等因素對(duì)探測(cè)器D*的測(cè)試結(jié)果都有一定的影響,這些都對(duì)空間紅外光學(xué)遙感器的指標(biāo)設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值。

2 紅外探測(cè)器分類及原理

紅外探測(cè)器是被廣泛應(yīng)用于多個(gè)重要領(lǐng)域的光電器件,就其工作機(jī)理而言可以分為兩類：一類是光子探測(cè)器,另二類是熱探測(cè)器[2]。

光子探測(cè)器是以光電效應(yīng)作為探測(cè)基礎(chǔ),當(dāng)器件受到紅外輻射照射后,其中的電子直接吸收紅外輻射而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變,從而導(dǎo)致器件的某種電學(xué)參量的改變,這種電學(xué)性質(zhì)的改變稱為光電效應(yīng)。根據(jù)光電效應(yīng)的大小,可以測(cè)量被吸收的光子數(shù)。此類器件依賴內(nèi)部電子直接吸收紅外輻射,因此反應(yīng)快。此類器件的結(jié)構(gòu)都比較牢靠,能在比較惡劣的條件下工作。因此,該類器件的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在探測(cè)信噪比高、響應(yīng)速度快、選擇性強(qiáng)等,是當(dāng)今發(fā)展最快、應(yīng)用最為普遍的紅外探測(cè)器,被廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域。

熱紅外探測(cè)器是基于熱敏材料吸收紅外輻射產(chǎn)生熱效應(yīng)的原理,熱探測(cè)器吸收紅外輻射后,產(chǎn)生溫升,伴隨著溫升而發(fā)生某些物理性質(zhì)的變化。如產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)、電阻率變化、自發(fā)極化強(qiáng)度變化、氣體體積和壓強(qiáng)變化等。測(cè)量這些變化就可以測(cè)量出它們吸收的紅外輻射的能量和功率。該類器件最大的優(yōu)點(diǎn)是工作溫度比較高,在室溫條件下就可以工作,不需要制冷,這就減小了器件的成本和大小,但和某一特定波長(zhǎng)敏感的光子探測(cè)器相比,該類器件的響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng),靈敏度也受到很大的影響。

目前,紅外空間遙感器大部分采用光子探測(cè)器,本文對(duì)探測(cè)器D*的分析也都是基于光子探測(cè)器的。

探測(cè)器D*主要用來(lái)描述紅外探測(cè)器的性能[3]。噪聲等效溫差是用于描述探測(cè)器溫度靈敏度的性能參數(shù),是與探測(cè)率密切相關(guān)的參數(shù),也是表征探測(cè)器探測(cè)能力的關(guān)鍵參數(shù)。噪聲等效溫差是噪聲電壓與目標(biāo)溫差產(chǎn)生的信號(hào)電壓相等時(shí)的溫差,即像元目標(biāo)溫差與像元信噪比之比。噪聲等效溫差實(shí)際上表示的是能夠分辨目標(biāo)溫差的能力,即紅外探測(cè)器能夠分辨目標(biāo)的最小溫差。

探測(cè)率同時(shí)考慮探測(cè)器輸出信號(hào)和噪聲,噪聲等效功率的倒數(shù)即是探測(cè)率,而噪聲等效溫差與探測(cè)率成反比關(guān)系,探測(cè)率越高,噪聲等效溫差越小,探測(cè)溫度靈敏度越高,能區(qū)分較小溫差的目標(biāo)。它們之間的定量關(guān)系由下面章節(jié)給出。

3紅外探測(cè)器D*分析

3.1 紅外探測(cè)器D*分析

NEP是用來(lái)表征探測(cè)器性能優(yōu)劣的一種優(yōu)值因子,其值愈小則探測(cè)器的性能愈優(yōu),依據(jù)習(xí)慣的表示方法,通常引用NEP的倒數(shù)來(lái)衡量探測(cè)器的探測(cè)能力,稱之為探測(cè)率[2],即:

(1)

由式(1)可知,NEP越小則D越大,D越大則表明探測(cè)器的探測(cè)能力越優(yōu)。

但是,大多數(shù)紅外探測(cè)器的NEP與光敏面的平方根有關(guān),還與探測(cè)器的帶寬Δf有關(guān)。因此,用NEP的數(shù)值很難比較出兩個(gè)不同探測(cè)器性能的優(yōu)劣。為此,在此基礎(chǔ)上引入了歸一化探測(cè)率D*來(lái)描述紅外探測(cè)器的性能。即:

(2)

式中,Ad為探測(cè)器光敏面積。實(shí)際上,D*就是探測(cè)器單位面積、單位放大器帶寬、單位輻射功率下的信噪比。通常單個(gè)探測(cè)器的探測(cè)率D*與調(diào)制頻率f、輻射源及工作條件有關(guān),單位為cm·Hz1/2/W。

從探測(cè)器D*的計(jì)算公式可知紅外探測(cè)器D*與信噪比密切相關(guān),紅外探測(cè)器D*的水平反映了信噪比的水平,探測(cè)率越高,信噪比高,動(dòng)態(tài)范圍也會(huì)越大,探測(cè)器的探測(cè)能力也就越高。

噪聲等效溫差NEΔT是用于表征空間紅外遙感器溫度靈敏度的性能參數(shù),是空間紅外遙感器設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。在選擇相應(yīng)的紅外探測(cè)器時(shí),應(yīng)考慮所選的紅外探測(cè)器能滿足空間紅外遙感器對(duì)噪聲等效溫差的要求?？臻g紅外遙感器NEΔT可以表示為:

(3)

從NEΔT計(jì)算公式可以看到,紅外光學(xué)遙感器的噪聲等效溫差與紅外探測(cè)器D*是密切相關(guān)的,在系統(tǒng)指標(biāo)確定的情況下,紅外探測(cè)器D*越高,噪聲等效溫差越小,遙感器的溫度靈敏度就會(huì)越高。

3.2 紅外探測(cè)器D*對(duì)相機(jī)NEΔT的影響

從信號(hào)處理角度來(lái)看,影響探測(cè)器D*的主要因素是信噪比。信噪比是表征空間紅外遙感器像質(zhì)和輻射性能的一種度量,一般指的是信號(hào)與噪聲之比,如果兩個(gè)目標(biāo)或目標(biāo)與其背景間的輻射率或反射率差對(duì)應(yīng)的信號(hào)差小于噪聲引起的信號(hào)波動(dòng),則在圖像中難以將兩個(gè)目標(biāo)或目標(biāo)與其背景區(qū)分開。

此外,由公式(3)可見,紅外探測(cè)器D*是與空間紅外遙感器的噪聲等效溫差NEΔT密切相關(guān)的,噪聲等效溫差是一個(gè)用于表征空間紅外遙感器溫度靈敏度的性能參數(shù)。紅外探測(cè)器D*越高,紅外成像系統(tǒng)的溫度靈敏度越高。NEΔT與溫度有關(guān),因此,在確定NEΔT時(shí)需要明確溫度,對(duì)噪聲等效溫差測(cè)試時(shí),也必須明確測(cè)試用黑體溫度。

由探測(cè)率計(jì)算公式以及探測(cè)率和噪聲等效溫差的關(guān)系可知,紅外探測(cè)器D*越高,信噪比也會(huì)越高,噪聲等效溫差越小,探測(cè)靈敏度越高,成像性能也就越好。

4紅外探測(cè)器D*的影響因素分析

4.1 積分時(shí)間對(duì)探測(cè)器D*的影響

積分時(shí)間是指在幀周期或行周期內(nèi),探測(cè)器累計(jì)接受輻射的有效時(shí)間。積分時(shí)間越長(zhǎng),信號(hào)越大,探測(cè)器的靈敏度越高,選擇合適的積分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的整體性能有很大的影響。

紅外探測(cè)器每個(gè)像元的注入電流為：

iin=ηqΔn

(4)

式中,Δn為入射光的光子流速率；q為電子電荷量；η為材料的量子效率。

(5)

式中,Φλ為光譜輻通量；λ為波長(zhǎng)；c為光速；h為普朗克常數(shù)。

像元輸出電流為：

(6)

式中,σ(λ)為光學(xué)系統(tǒng)的衰減函數(shù)；Lλ為入射輻亮度；Ω為黑體上一點(diǎn)對(duì)鏡頭的立體角；S為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳尺寸。

黑體輻射源的輻亮度為：

(7)

式中,c1、c2為輻射常數(shù)；T為黑體溫度。

由式(6)、式(7)可以得到：

(8)

由紅外探測(cè)器讀出電路可得：

(9)

式中,V1為積分起始時(shí)刻輸出；V2為積分結(jié)束時(shí)刻輸出；A1為讀出電路放大倍數(shù)；A2為差分電路放大器倍數(shù)；tint為積分時(shí)間；Cf為積分電容；iout為像元輸出電流。

由式(8)、式(9),將暗電流影響也考慮進(jìn)去,得到下式：

(10)

式中,Vd為暗電流電壓信號(hào),認(rèn)為探測(cè)器的暗電流id是不變的,則Vd=idtint。

由式(10)可得到探測(cè)器輸出信號(hào)與積分時(shí)間之間的關(guān)系,保證其他參數(shù)不變時(shí),探測(cè)器輸出電壓信號(hào)與積分時(shí)間成正比關(guān)系。

紅外探測(cè)器的噪聲為所有噪聲的總和。紅外探測(cè)器的總噪聲電子數(shù)表示為：

(11)

式中,N為總噪聲電子數(shù)；Nt為瞬態(tài)噪聲電子數(shù)；Ns為空間噪聲電子數(shù)。

(12)

式中,Np為光子噪聲電子數(shù)；Nd為暗電流噪聲電子數(shù)；Nr為讀出噪聲電子數(shù)。

光子噪聲主要是由光子到達(dá)紅外探測(cè)器的隨機(jī)性引起的,屬于白噪聲；暗電流噪聲是在沒有輻射時(shí),在一定的偏壓下流過探測(cè)器的電流；讀出噪聲跟紅外探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)相關(guān),隨讀出電路結(jié)構(gòu)不同而不同,文中討論常用的CMOS開關(guān)結(jié)構(gòu)。這三種噪聲的表達(dá)式如下所示：

(13)

(14)

式中,Dd(i,j)為像元(i,j)無(wú)輻照時(shí)輸出的電子數(shù)。

(15)

式中,q為電子電量；K為波爾茲曼常數(shù)；T為溫度；C為電容。

從式(13)、式(14)和式(15)可見,光子噪聲和暗電流噪聲與積分時(shí)間有關(guān),讀出噪聲與積分時(shí)間無(wú)關(guān)。

空間噪聲是由紅外探測(cè)器像元響應(yīng)不一致性引起的,可以表示為：

(16)

式中,UR為響應(yīng)率的非均勻性。

通過以上各式可以得到紅外探測(cè)器的總噪聲為：

(17)

對(duì)于目前使用的紅外探測(cè)器,使用的是開關(guān)積分電路,所以其等效噪聲帶寬為開關(guān)積分帶寬[4],即:

(18)

將式(9)代入紅外探測(cè)器D*的定義公式,可得到：

(19)

4.2輻射源溫度對(duì)探測(cè)器D*的影響

輻射源的溫度與測(cè)試紅外探測(cè)器D*所用黑體溫度不同時(shí),則紅外探測(cè)器D*的設(shè)計(jì)值與實(shí)際值是有差異的。為問題分析方便起見,若只考慮黑體溫度因素情況時(shí),探測(cè)率D*是對(duì)一定溫度的黑體的輻射而測(cè)量的,此時(shí)探測(cè)器D*表達(dá)式可表示為：

(20)

式中,Vs為探測(cè)器輸出電壓；Vn為探測(cè)器噪聲電壓；Ad為探測(cè)器像元面積；Δf為測(cè)量電路帶寬；H為黑體照度。

當(dāng)輻照光源為單色光時(shí),紅外探測(cè)器D*與光源波長(zhǎng)有關(guān),即D*為波長(zhǎng)的函數(shù),可以表示為：

(21)

式中,H(λ)為光譜輻照度。

由式(20)、式(21)可見,當(dāng)輻射源為黑體時(shí),探測(cè)率與黑體溫度有關(guān),黑體溫度不同時(shí),探測(cè)率不同；當(dāng)輻射源為單色光時(shí),探測(cè)率與單色光的波長(zhǎng)有關(guān),波長(zhǎng)不同,探測(cè)率也不相同,與輻射源的溫度無(wú)關(guān)。由此可見,D*(λ)反應(yīng)了探測(cè)器的固有特性。

已有人推導(dǎo)出D*與D*(λ)的關(guān)系如下：

(22)

式中,J(λ)為輻射源光譜輻亮度；τ(λ)為考慮到大氣、光學(xué)系統(tǒng)衰減后的總光譜透過率。

由公式(22)可知,當(dāng)光譜響應(yīng)范圍為(λ1,λ2)時(shí),探測(cè)率可以表示為：

(23)

由式(22)、式(23)可見,由于D*(λ)隨入射波長(zhǎng)而變化,即使紅外探測(cè)器上的照度相同,但當(dāng)輻射源的溫度不同時(shí),J(λ)不同,兩式的積分也不相同,通常情況下,在紅外探測(cè)器其他因素不變的情況下,紅外探測(cè)器達(dá)到飽和之前,輻射源的溫度越高,探測(cè)器D*值就越高,探測(cè)能力也就越強(qiáng)。然而,我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用時(shí),由于目標(biāo)溫度的差異,會(huì)導(dǎo)致紅外探測(cè)器對(duì)不同目標(biāo)的探測(cè)能力也會(huì)有差異,為了能最大限度的滿足應(yīng)用需求,測(cè)試用輻射源的溫度應(yīng)接近實(shí)際探測(cè)目標(biāo)的溫度,或者總結(jié)不同溫度情況下探測(cè)器D*之間的關(guān)系,使得探測(cè)器D*的實(shí)際測(cè)試值更接近成像系統(tǒng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)值。

4.3 背景輻射對(duì)探測(cè)器D*的影響

以往的經(jīng)驗(yàn),背景輻射對(duì)紅外探測(cè)器的影響也很明顯,尤其對(duì)截止波長(zhǎng)≥12.5 μm的甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器影響更為顯著,對(duì)于甚長(zhǎng)波紅外探測(cè)器,背景輻射會(huì)引起探測(cè)器暗電流的迅速增大,探測(cè)器在較短的積分時(shí)間內(nèi)即達(dá)到飽和,探測(cè)器D*測(cè)量值相應(yīng)較低。背景輻射所激發(fā)的載流子濃度漲落必然引起噪聲,它由背景輻射激發(fā)的光子數(shù)均方來(lái)衡量[5]。

光伏型紅外探測(cè)器背景限D(zhuǎn)*為：

(24)

式中,h為普朗克常數(shù)；c為光速；η為量子效率；EP為背景的光子輻照度。

從上述結(jié)果可以看出,背景輻射限探測(cè)率是由背景光子漲落所限制的探測(cè)率,他與背景溫度和視場(chǎng)角有關(guān)。當(dāng)背景溫度下降時(shí),背景輻射引起的光子數(shù)下降,光子漲落也隨之下降,光子噪聲減小,背景限探測(cè)率將會(huì)提高,這也是很多紅外探測(cè)系統(tǒng)需要采用冷光學(xué)的原因,也是為了減小背景輻射影響。目前空間遙感器使用的紅外探測(cè)器大都封裝在真空度瓦中,里面均有冷屏,冷屏設(shè)計(jì)與光學(xué)系統(tǒng)匹配,其目的主要是為了盡可能消除背景輻射,使得紅外探測(cè)器D*值提高,從而探測(cè)能力更好,此外,對(duì)于無(wú)杜瓦無(wú)冷屏的紅外探測(cè)器,需要設(shè)計(jì)低溫光學(xué)系統(tǒng),也是為了降低背景輻射的影響。

4.4 1/f噪聲對(duì)探測(cè)器D*的影響

1/f噪聲也稱閃爍噪聲或調(diào)制噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在,當(dāng)電流流過時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電爆脈沖。

所有的探測(cè)器中都存在1/f噪聲。這種噪聲主要出現(xiàn)在1 kHz以下的低頻段,并且與光輻射的調(diào)制頻率成反比。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),探測(cè)器的缺陷或不均勻性等表面工藝狀態(tài)對(duì)1/f有較大影響。1/f的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律為：

(25)

或者為：

(26)

式中,kf為與探測(cè)器材料、工藝等有關(guān)的比例系數(shù)；α為與探測(cè)器電流有關(guān)的系數(shù),通常取2；β為與探測(cè)器材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù),一般取0.8～1.3,大多情況下材料的β值取1,γ與探測(cè)器阻抗有關(guān),一般取1.4～1.7。

當(dāng)某些紅外探測(cè)器的1/f噪聲在總噪聲中占有的比例較大時(shí),在計(jì)算紅外成像系統(tǒng)的性能,如D*、NEΔT、作用距離等時(shí),必須要考慮這一因素的影響[6]。目前進(jìn)行紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中,計(jì)算系統(tǒng)性能參數(shù)時(shí)均未考慮該因素的影響,從而導(dǎo)致紅外系統(tǒng)性能參數(shù)設(shè)計(jì)誤差較大,實(shí)際性能達(dá)不到設(shè)計(jì)值。甚至由于系統(tǒng)中沒有反映1/f噪聲的影響,出現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)片面地利用減小系統(tǒng)帶寬來(lái)提高性能的錯(cuò)誤。

一般說,只要限制低頻端的調(diào)制頻率不低于1 kHz,這種噪聲就可以有效降低。

減小1/f噪聲對(duì)紅外探測(cè)器D*的影響有兩方面的含義：一方面是從參數(shù)測(cè)量上,使紅外探測(cè)器D*值包含1/f噪聲的影響,從而減小系統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤差；另一方面是從實(shí)現(xiàn)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)上如何減小1/f噪聲對(duì)紅外系統(tǒng)性能的影響。

4.5 探測(cè)器D*影響因素綜合評(píng)價(jià)

從上述分析中可知,紅外探測(cè)器D*受很多測(cè)試因素的影響,包括積分時(shí)間、輻射源溫度、背景輻射、1/f噪聲等外界因素。紅外探測(cè)器D*是紅外探測(cè)器的固有特性,只與其自身的因素有關(guān),如像元尺寸、積分電容等,不會(huì)隨外界條件的變化而改變,但是D*的測(cè)量值是與測(cè)試條件密切相關(guān)的,不同的測(cè)試條件得到的D*測(cè)量值也不同。因此,通常講的探測(cè)器D*都是在規(guī)定的測(cè)試條件下測(cè)得的值,如規(guī)定黑體溫度、調(diào)制頻率、測(cè)量電路帶寬、積分時(shí)間等等,在本文中只詳細(xì)分析積分時(shí)間、輻射源溫度、背景輻射、1/f噪聲四個(gè)因素的影響。

5紅外探測(cè)器D*的測(cè)試評(píng)價(jià)

根據(jù)第4節(jié)的分析,不同測(cè)試條件測(cè)得的探測(cè)率有差異,因此,應(yīng)盡量將測(cè)試條件標(biāo)準(zhǔn)化。采取的做法一般是：

(1)輻射源溫度

面源黑體溫度一般設(shè)置為,高溫黑體308 K,低溫黑體293 K,低溫黑體溫度對(duì)應(yīng)探測(cè)器輸出參考電平,高低溫黑體對(duì)應(yīng)的探測(cè)器輸出電平差即為探測(cè)器模擬信號(hào)輸出。

(2)積分時(shí)間

積分時(shí)間一般調(diào)到使探測(cè)率最大。

(3)背景輻射

即使探測(cè)器封裝在真空杜瓦中,內(nèi)部有冷屏結(jié)構(gòu)抑制一部分背景輻射,在測(cè)試時(shí)盡量也要減小外界背景輻射,黑體輻射源放置的位置應(yīng)盡量靠近杜瓦窗口,使得面源黑體輻射源充滿探測(cè)器視場(chǎng)。

(4)測(cè)量電路帶寬(噪聲)

探測(cè)器噪聲電壓是測(cè)量電路帶寬的函數(shù),探測(cè)器的總噪聲功率譜在中頻段較為平坦。

在不同的空間紅外遙感器系統(tǒng)中,應(yīng)根據(jù)遙感器實(shí)際應(yīng)用情況確定探測(cè)器在系統(tǒng)中的測(cè)試條件：輻射源溫度應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際探測(cè)目標(biāo)調(diào)節(jié)；積分時(shí)間根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)置,使成像性能最好；遙感器整機(jī)測(cè)試時(shí)還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取適當(dāng)措施,盡量降低背景輻射的影響；并且應(yīng)采取一定的方法降低噪聲影響。

6 結(jié) 論

紅外探測(cè)器作為空間紅外遙感器的核心部件,其D*指標(biāo)是遙感器總體指標(biāo)設(shè)計(jì)最關(guān)心的指標(biāo),本文通過對(duì)紅外探測(cè)器噪聲等效功率分析的基礎(chǔ)上,對(duì)紅外探測(cè)器D*進(jìn)行了分析,總結(jié)了探測(cè)器D*對(duì)紅外成像系統(tǒng)成像性能的影響,通過對(duì)探測(cè)器D*的影響因素的分析,探測(cè)器D*的影響因素均影響D*的測(cè)試結(jié)果,因此,探測(cè)器D*測(cè)試時(shí)必須規(guī)定測(cè)試條件。

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