基于InGaAs探测器的制冷试验分析

姜宇鹏　刘栋斌　李哲

摘 要： 为解决红外图像高质量要求与紧张的卫星有效载荷资源间矛盾，针对Xenics公司的InGaAs短波红外探测器XLIN?1.7?2048开展电制冷试验以确定其工作模式。对比暗背景与不同光辐照情况下，探测器开启半导体热电制冷与不制冷时的像元均值、噪声与灵敏度，综合考虑系统要求、功耗、辐冷板面积、重量及可靠性等因素，最终确定常温工作状态下的工作模式。

关键词： 短波红外探测器； 热电制冷； InGaAs探测器； 卫星有效载荷

中图分类号： TN215?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0160?03

Abstract： A thermoelectric cooling experiment of InGaAs SWIR detector （XLIN?1.7?2048） produced by Xenics was worked out to eliminate conflicts between requirement of high quality infrared image and the scarce resources of satellite payload， and to determine the operation mode. Under the conditions of dark field and different levels of light intensity， parameters of pixel mean， noise and sensitivity are contrast when the thermoelectric cooler is in on or off status. In consideration of the comprehensive facts， such as power consumption， radiation panel area， weight and reliability， the operation mode of the detector working in normal temperature status was determined.

Keywords： shortwave infrared detector； thermoelectric cooling； InGaAs detector； satellite payload

0 引 言

随着工业化进程不断加速，二氧化碳（CO2）等温室气体对环境的影响逐渐引起人类的重视。研制高光谱和高空间分辨率的二氧化碳探测仪，能够监测全球温室气体分布及含量，对人类及国家战略具有深远意义[1?2]。

云干扰对大气探测具有一定的扰动，随机搭载的云与气溶胶探测仪可以通过对气溶胶的探测去除信号中的气溶胶散射信号，提高温室气体探测的反演精度。

InGaAs是一种直接带隙半导体合金材料，具有较高的电子迁移率、量子效率和良好的抗辐照特性，能够在室温或制冷条件下正常工作[3]，所以被广泛应用于空间遥感成像系统。Xenics公司的短波红外探测器XLIN?1.7?2048能够在室温或电制冷条件下探测气体谱段信息，因受制于卫星有效载荷的紧张资源，有必要进行开展一系列制冷试验，通过对数据的分析以确定短波红外探测器的工作模式。

1 红外成系统

短波红外探测器XLIN?1.7?2048是基于InGaAs的双列读出线阵红外探测器，工作谱段范围为0.9～1.7 μm，像元尺寸12.5 μm×12.5 μm，为满足更高的应用需求，短波红外探测器内部集成了半导体电制冷器，在制冷工作模式下可提高像元的探测灵敏度，在弱光、长积分时间条件下对与暗电流噪声的影响更为显著。

电源连接两块不同的金属，接通直流电后一个接触点温度降低，另一个接触点温度升高；若电源反接，则接触点处温度相反变化，这一现象称为帕尔帖效应[4]，其冷端的产生是由于接触点产生电子?空穴对，内能减小，温度降低，而热端电子?空穴对复合，温度升高向外散发量[5]。探测器内部的TE1半导体制冷器分为上下两个24 mm×6 mm的陶瓷基面，最大的通电电流为1.8 A，最大压降为7.4 V，最大温度变化范围为[6]-40～100 ℃，见图1。

XLIN内部集成了Vishay负温度系数热敏电阻（Negative Temperature Coefficient，NTC），在温度较低时载流子（电子和空穴）较少，呈现的阻值较高，随着温度的升高，载流子数目增加，导致阻值变小[7]，因此阻值的变化能够实时反应探测器内部温度。25 ℃时，NTC热敏电阻R25为4.7 kΩ，且温度的变化与阻值变化呈现非线性关系，对应关系如图2所示。

系统加电制冷及实时监测部分原理框图如图3所示。半导体制冷器TEC冷端面与探测器2048像元线阵列接触，热敏电阻NTC外接直流电压用以产生直流信号电平，探测器内部温度的改变导致自身压降变化，通过放大器后经行A/D采样，FPGA将接收到的数字信息发送至地检设备，即可实时监测由制冷或外接温度变化引起的探测器内部温度变化值。

2 制冷试验条件与方法

试验主要围绕不同温度下，短波红外探测器的暗背景、辐射响应灵敏度指标开展，综合考虑开启制冷与不制冷两种工作模式时，整星系统的功耗、散热、可靠性、体积与重量等多方面因素，最终确定红外探测器在轨工作模式。

短波红外探测器制冷试验由积分球光源、辐亮度计、控制设备、红外成像系统及地检设备构成，示意图如图4所示。红外探测器置于距积分球0.5 m处，积分球控制系统通过辐亮度计反馈控制积分球光源，地检设备接收红外图像及探测器内部温度，红外探测器内部半导体制冷器外接电源，通过调节电压实现多种不同的工作模式。地检设备选取探测器中的1 600个像元成像，为了提高信噪比采用4像元合并的方式显示。

3 试验结果与分析

3.1 暗场响应

短波红外探测器的基本构成单元就是P?N结光电二极管，波长比截止波长短的红外辐射被光二极管吸收后产生了电子?空穴对。正常加电工作时，PN结施加反偏电压，所以即使在没有光照的情况下依旧会有反向电流产生[8?9]，暗电流为：

[Idark=Is[expqVkT-1]] （1）

式中：Is为反向电流；V是外加电压，因此对于探测器，暗电流的高低取决于工作温度。本系统12位量化精度输出码值为0～4 096，暗电平信号越高，则正常工作条件的动态探测范围越小，暗噪声也会越明显[10]。

试验选取1.5 V，2.5 V，3.3 V作为制冷电压值，在温度15 ℃、相对湿度40%～60%的暗室状态下，测试结果如表1所示。

图5中从不制冷到1.5 V制冷电压过程中，像元均值DN降幅最大；然而系统关键指标像元噪声STDEV随着制冷电压的增加却始终位于0.7左右波动，并未有较大的增加；单片探测器制冷功耗从0 W上升至3.3 V的1.9 W，整个系统四片红外探测器加上电源板二次供电损耗，功耗增加量最大可达到10 W，散热面辐冷板亦增加为不制冷工况下的两倍。

3.2 辐射灵敏度响应

红外探测器辐射灵敏度计算公式为：

式中：DN为像元均值，L是积分球光辐亮度；B为响应偏置；K即为探测器响应灵敏度。

试验中调整制冷电压，根据在轨工作条件及热控要求，选取短波红外探测器温度为30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃及10 ℃时，记录三种亮度等级的工况，计算探测器辐射响应灵敏度如图6所示。

全视场像元中上下尖峰为盲元，在某一温度、相同光辐射输入条件下，探测器所有像元灵敏度响应有所差异，随着像元编号的增加探测器灵敏度响应逐渐升高；探测器制冷电压的不同，模拟探测器10～30 ℃的工作温度，像元在相同辐照度输入的灵敏度响应也不相同，但波动不大于0.05 DN/（W/m2/sr/nm）。

4 结 论

为确定短波红外探测器XLIN工作模式，设计了暗场及光辐射条件下的制冷试验。在不制冷情况下，红外探测器暗场响应DN值为150，较最大3.3 V制冷工况均值高42，探测动态范围减小1%，但噪声未见变化，且在光辐射输入情况下，制冷工况与不制冷工况的灵敏度相差小于0.05 DN/（W/m2/sr/nm），能够满足系统设计要求。对于最高3.3 V制冷电压，单机制冷功耗增加10 W，辐冷板面积增加两倍，质量和体积相应增加，系统可靠性降低，所以综合考虑，短波红外探测器XLIN?1.7?2048在轨工作时无需电制冷能够满足系统要求。

参考文献

[1] 王龙，蔺超，郑玉权.CO2探测仪星上定标铝漫反射板的制备与试验[J].中国光学，2013（4）：591?599.

[2] 陈程.CO2探测仪前置系统光机结构设计及分析[D].长春：中国科学院研究生院，2011.

[3] 张卫峰，张若岚，赵鲁生，等.InGaAs短波红外探测器研究进展[J].红外技术，2012，34（6）：361?365.

[4] 郑兴，蒋亚东，罗凤武，等.基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路设计[J].现代电子技术，2009，32（24）：154?156.

[5] 张伟斌，付安英，郭铁，等.半导体制冷技术在临床医疗的应用研究[J].电子设计工程，2011，19（22）：51?53.

[6] Xenics. XLIN?1.7?2048 datasheet [R]. Korea： Xenics， 2010.

[7] 关奉伟，刘巨，于善猛，等.NTC热敏电阻的标定及阻温特性研究[J].光机电信息，2011，28（7）：69?73.

[8] 张明涛，谢仁飙，朱磊，等.320×256短波红外焦平面温控系统设计与应用[J].红外与毫米波学报，2009，28（3）：173?180.

[9] 吕衍秋，徐运华，韩冰，等.128×1线列InGaAs短波红外焦平面的研究[J].红外与毫米波学报，2006，25（5）：333?337.

[10] 钟轶，王淦泉.空间遥感用InGaAs探测器低噪声电路系统设计[J].激光与红外，2009，39（5）：514?517.

3 试验结果与分析

3.1 暗场响应

短波红外探测器的基本构成单元就是P?N结光电二极管，波长比截止波长短的红外辐射被光二极管吸收后产生了电子?空穴对。正常加电工作时，PN结施加反偏电压，所以即使在没有光照的情况下依旧会有反向电流产生[8?9]，暗电流为：

[Idark=Is[expqVkT-1]] （1）

式中：Is为反向电流；V是外加电压，因此对于探测器，暗电流的高低取决于工作温度。本系统12位量化精度输出码值为0～4 096，暗电平信号越高，则正常工作条件的动态探测范围越小，暗噪声也会越明显[10]。

试验选取1.5 V，2.5 V，3.3 V作为制冷电压值，在温度15 ℃、相对湿度40%～60%的暗室状态下，测试结果如表1所示。

图5中从不制冷到1.5 V制冷电压过程中，像元均值DN降幅最大；然而系统关键指标像元噪声STDEV随着制冷电压的增加却始终位于0.7左右波动，并未有较大的增加；单片探测器制冷功耗从0 W上升至3.3 V的1.9 W，整个系统四片红外探测器加上电源板二次供电损耗，功耗增加量最大可达到10 W，散热面辐冷板亦增加为不制冷工况下的两倍。

3.2 辐射灵敏度响应

红外探测器辐射灵敏度计算公式为：

式中：DN为像元均值，L是积分球光辐亮度；B为响应偏置；K即为探测器响应灵敏度。

试验中调整制冷电压，根据在轨工作条件及热控要求，选取短波红外探测器温度为30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃及10 ℃时，记录三种亮度等级的工况，计算探测器辐射响应灵敏度如图6所示。

全视场像元中上下尖峰为盲元，在某一温度、相同光辐射输入条件下，探测器所有像元灵敏度响应有所差异，随着像元编号的增加探测器灵敏度响应逐渐升高；探测器制冷电压的不同，模拟探测器10～30 ℃的工作温度，像元在相同辐照度输入的灵敏度响应也不相同，但波动不大于0.05 DN/（W/m2/sr/nm）。

4 结 论

为确定短波红外探测器XLIN工作模式，设计了暗场及光辐射条件下的制冷试验。在不制冷情况下，红外探测器暗场响应DN值为150，较最大3.3 V制冷工况均值高42，探测动态范围减小1%，但噪声未见变化，且在光辐射输入情况下，制冷工况与不制冷工况的灵敏度相差小于0.05 DN/（W/m2/sr/nm），能够满足系统设计要求。对于最高3.3 V制冷电压，单机制冷功耗增加10 W，辐冷板面积增加两倍，质量和体积相应增加，系统可靠性降低，所以综合考虑，短波红外探测器XLIN?1.7?2048在轨工作时无需电制冷能够满足系统要求。

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[8] 张明涛，谢仁飙，朱磊，等.320×256短波红外焦平面温控系统设计与应用[J].红外与毫米波学报，2009，28（3）：173?180.

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[10] 钟轶，王淦泉.空间遥感用InGaAs探测器低噪声电路系统设计[J].激光与红外，2009，39（5）：514?517.

3 试验结果与分析

3.1 暗场响应

短波红外探测器的基本构成单元就是P?N结光电二极管，波长比截止波长短的红外辐射被光二极管吸收后产生了电子?空穴对。正常加电工作时，PN结施加反偏电压，所以即使在没有光照的情况下依旧会有反向电流产生[8?9]，暗电流为：

[Idark=Is[expqVkT-1]] （1）

式中：Is为反向电流；V是外加电压，因此对于探测器，暗电流的高低取决于工作温度。本系统12位量化精度输出码值为0～4 096，暗电平信号越高，则正常工作条件的动态探测范围越小，暗噪声也会越明显[10]。

试验选取1.5 V，2.5 V，3.3 V作为制冷电压值，在温度15 ℃、相对湿度40%～60%的暗室状态下，测试结果如表1所示。

图5中从不制冷到1.5 V制冷电压过程中，像元均值DN降幅最大；然而系统关键指标像元噪声STDEV随着制冷电压的增加却始终位于0.7左右波动，并未有较大的增加；单片探测器制冷功耗从0 W上升至3.3 V的1.9 W，整个系统四片红外探测器加上电源板二次供电损耗，功耗增加量最大可达到10 W，散热面辐冷板亦增加为不制冷工况下的两倍。

3.2 辐射灵敏度响应

红外探测器辐射灵敏度计算公式为：

式中：DN为像元均值，L是积分球光辐亮度；B为响应偏置；K即为探测器响应灵敏度。

试验中调整制冷电压，根据在轨工作条件及热控要求，选取短波红外探测器温度为30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃及10 ℃时，记录三种亮度等级的工况，计算探测器辐射响应灵敏度如图6所示。

全视场像元中上下尖峰为盲元，在某一温度、相同光辐射输入条件下，探测器所有像元灵敏度响应有所差异，随着像元编号的增加探测器灵敏度响应逐渐升高；探测器制冷电压的不同，模拟探测器10～30 ℃的工作温度，像元在相同辐照度输入的灵敏度响应也不相同，但波动不大于0.05 DN/（W/m2/sr/nm）。

4 结 论

为确定短波红外探测器XLIN工作模式，设计了暗场及光辐射条件下的制冷试验。在不制冷情况下，红外探测器暗场响应DN值为150，较最大3.3 V制冷工况均值高42，探测动态范围减小1%，但噪声未见变化，且在光辐射输入情况下，制冷工况与不制冷工况的灵敏度相差小于0.05 DN/（W/m2/sr/nm），能够满足系统设计要求。对于最高3.3 V制冷电压，单机制冷功耗增加10 W，辐冷板面积增加两倍，质量和体积相应增加，系统可靠性降低，所以综合考虑，短波红外探测器XLIN?1.7?2048在轨工作时无需电制冷能够满足系统要求。

参考文献

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[9] 吕衍秋，徐运华，韩冰，等.128×1线列InGaAs短波红外焦平面的研究[J].红外与毫米波学报，2006，25（5）：333?337.

[10] 钟轶，王淦泉.空间遥感用InGaAs探测器低噪声电路系统设计[J].激光与红外，2009，39（5）：514?517.