红外探测器原理(lǐ)与核心指标
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发布时间：2023-04-20 10:52:52
红外探测器是红外系统的核心，是探测、识别和分(fēn)析物(wù)體(tǐ)红外信息的关键部件。根据具體(tǐ)的需求和应用(yòng)，红外探测器会有(yǒu)不同的分(fēn)类方式来强调某一方面的特性。根据能(néng)量转换方式，红外探测器可(kě)以分(fēn)為(wèi)热探测器和光子探测器两大类；根据工作温度和制冷需求，分(fēn)為(wèi)制冷红外探测器和非制冷红外探测器。
热探测器的工作机理(lǐ)就是基于入射辐射的热效应引起探测器材料温度变化。探测器材料某些物(wù)理(lǐ)性质会随着温度变化发生改变，通过测量这些物(wù)理(lǐ)性质的变化就可(kě)以测出材料吸收辐射的大小(xiǎo)。热探测器利用(yòng)的热效应，热吸收与入射辐射的波長(cháng)无关，热敏单元的温度变化较慢，室温环境下就可(kě)以观测到热敏单元的温度变化。
光子探测器是基于入射光子流与探测器材料的相互作用(yòng)产生光電(diàn)效应。探测器通过测量光電(diàn)效应的大小(xiǎo)可(kě)以计算得到吸收辐射的大小(xiǎo)。光電(diàn)效应是半导體(tǐ)中電(diàn)子吸收光子而产生的效应，通常情况下，必须将半导體(tǐ)冷却到较低温度才能(néng)够观测到光電(diàn)效应。同时，入射光子能(néng)量要大于一定值时才能(néng)产生光電(diàn)效应，所以光子探测器具有(yǒu)截止波長(cháng)。
阵列规模、NETD、像元间距是红外探测器的核心指标
红外探测器的性能(néng)参数主要有(yǒu)响应度、噪声等效功率、探测率、比探测率、光谱响应特征、响应时间、响应频率、噪声等，其中重要的是阵列规模、NETD、像元间距。
响应率：描述红外光電(diàn)探测器接受的入射红外信号与输出的電(diàn)信号之间的对应关系。红外探测器的响应率定义為(wèi)单位辐射功率人射到探测器上转换為(wèi)電(diàn)信号的能(néng)力。响应率越大说明探测器对入射红外辐射信号的响应程度越强烈，但是这并不能(néng)说明该探测器的探测能(néng)力或是灵敏度就越高。
响应时间：由于红外探测器存在惰性，因此对红外辐射的响应存在一定的滞后。当以恒定的辐照强度照射探测时，探测器的输出信号从零开始逐渐上升，经过一段时间后才可(kě)以达到稳定值。响应时间的物(wù)理(lǐ)意义是：当探测器受到红外照射时，输出信号上升到稳定值63%所需要的时间。响应时间越短，响应越快，该指标直接影响系统设计中的帧频。当帧频对应的时间小(xiǎo)于响应时间，新(xīn)的信号还不能(néng)达到预定的稳定输出值，上一帧的信号还没有(yǒu)释放完，因此不能(néng)得到准确清晰的图像。帧率是制冷型探测器和非制冷型探测器性能(néng)的主要差别之一，制冷型探测器的帧频更高。
噪声：红外系统的探测性能(néng)受到其噪声的限制，噪声的大小(xiǎo)决定了红外探测器性能(néng)的极限。红外焦平面探测器的噪声包括瞬态噪声和空间噪声。瞬态噪声指的主要是器件本身的噪声，如光子噪声、暗電(diàn)流噪声、以及读出電(diàn)路的噪声等；空间噪声是由于红外焦平面阵列各个像元的响应特征不一致造成的。
噪声等效功率NEP：描述测器探测辐射的能(néng)力的下限。由于噪声存在，当辐射小(xiǎo)到它在探测器上产生的信号完全被探测器噪声所淹没时，探测器就无法检测辐射信号。当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為(wèi)噪声等效功率。在设计系统时通常要求最低可(kě)探测功率（灵敏度）数倍于噪声等效功率，以保证系统有(yǒu)较高的探测概率和较低的虚警率。
比探测率D*：探测率D是噪声等效功率NEP的倒数，用(yòng)来表示辐照在探测器上单位辐射功率所获得的信噪比。但探测率与探测器的面积和噪声带宽有(yǒu)关，所以引入了比探测率D*这一个标准化参数来度量探测器的性能(néng)。表示当探测器的敏感元有(yǒu)单位面积、放大器测量带宽為(wèi)1Hz时，单位辐射功率所能(néng)获得的信号噪声比。比探测率越大，探测器的探测能(néng)力越强，所以在对探测器性能(néng)进行比较时，用(yòng)比探测率较為(wèi)合适。
噪声等效温差NETD：噪声等效温差是度量焦平面器件温度分(fēn)辨能(néng)力能(néng)力的参数，定义為(wèi)器件的输入信号等于噪声时，入射辐射目标的温度变化。又(yòu)称為(wèi)红外热成像的热灵敏度，决定了热像仪區(qū)分(fēn)细微温差的能(néng)力。NETD越小(xiǎo)，表示器件的灵敏度越高。例如：某红外探测器在室温下的热灵敏度為(wèi)50mK，表示被测物(wù)表面温度发生0.05℃的变化时，或者表面存在0.05℃以上的不均匀时，就可(kě)以被红外热像仪的探测器所感应到。
盲元率：盲元率是评价一款焦平面阵列均匀程度的直观的指标。由于制造材料、工艺等因素的影响（如材料的不均匀性、掩膜误差、缺陷等），在红外焦平面阵列器件中存在不可(kě)避免的非均匀性，响应度小(xiǎo)于焦平面器件平均响应度1/2的像元為(wèi)死像元，或盲元，像元噪声大于平均噪声的2倍则為(wèi)过热盲元。盲元占总像元数的百分(fēn)比為(wèi)盲元率。盲元的数量和分(fēn)布对于红外图像的信噪比和图像质量产生很(hěn)大影响，如果盲元过多(duō)或分(fēn)布过于集中，则红外图像上将出现大量的或者过于集中的坏点。
像元尺寸：描述单个成像单元的尺寸大小(xiǎo)。在红外成像系统应用(yòng)中，像元尺寸的减小(xiǎo)，可(kě)以使得每个晶片上制造更大规模的焦平面阵列，对整机系统的大小(xiǎo)、重量和价格大有(yǒu)好处。但是由于NETD反比于像元面积，因此如果像元尺寸由50×50μm减小(xiǎo)至17×17μm，而其他(tā)各项参数保持不变的情况下，NETD就会增大约9倍，这是由于像元尺寸的减小(xiǎo)，将使得像元面积接受红外能(néng)量减小(xiǎo)，温度提升降低，导致灵敏度降低。
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