红外探测器探测率的研究与分析

徐丽娜,董 杰,戴立群,贾慧丽

(北京空间机电研究所,北京 100094)

1 引 言

长期以来,以光学遥感器为核心研究内容的航天光学遥感技术是航天技术的重要组成部分[1]。红外探测器是红外光学遥感器的核心组成部分,红外探测器的研究始终是红外技术发展的核心。提高空间红外遥感器噪声等效温差(温度分辨率NEΔT)的一个重要途径是提高探测器的探测率D*,而限制探测器D*的关键因素是器件的信噪比,可见D*是红外探测器的重要参数。无论在军用领域还是民用领域,红外探测器D*尤为重要,因此,对红外探测器D*的研究具有重要意义。

作为空间红外光学遥感器的核心器件,目前国内对红外探测器D*的研究也很重视,从很多方面对红外探测器D*进行分析。噪声、辐射源温度、背景辐射、积分时间、测试方法等因素对探测器D*的测试结果都有一定的影响,这些都对空间红外光学遥感器的指标设计有重要的参考价值。

2 红外探测器分类及原理

红外探测器是被广泛应用于多个重要领域的光电器件,就其工作机理而言可以分为两类：一类是光子探测器,另二类是热探测器[2]。

光子探测器是以光电效应作为探测基础,当器件受到红外辐射照射后,其中的电子直接吸收红外辐射而产生运动状态的改变,从而导致器件的某种电学参量的改变,这种电学性质的改变称为光电效应。根据光电效应的大小,可以测量被吸收的光子数。此类器件依赖内部电子直接吸收红外辐射,因此反应快。此类器件的结构都比较牢靠,能在比较恶劣的条件下工作。因此,该类器件的优点主要体现在探测信噪比高、响应速度快、选择性强等,是当今发展最快、应用最为普遍的红外探测器,被广泛应用于军用和民用领域。

热红外探测器是基于热敏材料吸收红外辐射产生热效应的原理,热探测器吸收红外辐射后,产生温升,伴随着温升而发生某些物理性质的变化。如产生温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化、气体体积和压强变化等。测量这些变化就可以测量出它们吸收的红外辐射的能量和功率。该类器件最大的优点是工作温度比较高,在室温条件下就可以工作,不需要制冷,这就减小了器件的成本和大小,但和某一特定波长敏感的光子探测器相比,该类器件的响应时间比较长,灵敏度也受到很大的影响。

目前,红外空间遥感器大部分采用光子探测器,本文对探测器D*的分析也都是基于光子探测器的。

探测器D*主要用来描述红外探测器的性能[3]。噪声等效温差是用于描述探测器温度灵敏度的性能参数,是与探测率密切相关的参数,也是表征探测器探测能力的关键参数。噪声等效温差是噪声电压与目标温差产生的信号电压相等时的温差,即像元目标温差与像元信噪比之比。噪声等效温差实际上表示的是能够分辨目标温差的能力,即红外探测器能够分辨目标的最小温差。

探测率同时考虑探测器输出信号和噪声,噪声等效功率的倒数即是探测率,而噪声等效温差与探测率成反比关系,探测率越高,噪声等效温差越小,探测温度灵敏度越高,能区分较小温差的目标。它们之间的定量关系由下面章节给出。

3红外探测器D*分析

3.1 红外探测器D*分析

NEP是用来表征探测器性能优劣的一种优值因子,其值愈小则探测器的性能愈优,依据习惯的表示方法,通常引用NEP的倒数来衡量探测器的探测能力,称之为探测率[2],即:

(1)

由式(1)可知,NEP越小则D越大,D越大则表明探测器的探测能力越优。

但是,大多数红外探测器的NEP与光敏面的平方根有关,还与探测器的带宽Δf有关。因此,用NEP的数值很难比较出两个不同探测器性能的优劣。为此,在此基础上引入了归一化探测率D*来描述红外探测器的性能。即:

(2)

式中,Ad为探测器光敏面积。实际上,D*就是探测器单位面积、单位放大器带宽、单位辐射功率下的信噪比。通常单个探测器的探测率D*与调制频率f、辐射源及工作条件有关,单位为cm·Hz1/2/W。

从探测器D*的计算公式可知红外探测器D*与信噪比密切相关,红外探测器D*的水平反映了信噪比的水平,探测率越高,信噪比高,动态范围也会越大,探测器的探测能力也就越高。

噪声等效温差NEΔT是用于表征空间红外遥感器温度灵敏度的性能参数,是空间红外遥感器设计的一项关键指标。在选择相应的红外探测器时,应考虑所选的红外探测器能满足空间红外遥感器对噪声等效温差的要求。空间红外遥感器NEΔT可以表示为:

(3)

从NEΔT计算公式可以看到,红外光学遥感器的噪声等效温差与红外探测器D*是密切相关的,在系统指标确定的情况下,红外探测器D*越高,噪声等效温差越小,遥感器的温度灵敏度就会越高。

3.2 红外探测器D*对相机NEΔT的影响

从信号处理角度来看,影响探测器D*的主要因素是信噪比。信噪比是表征空间红外遥感器像质和辐射性能的一种度量,一般指的是信号与噪声之比,如果两个目标或目标与其背景间的辐射率或反射率差对应的信号差小于噪声引起的信号波动,则在图像中难以将两个目标或目标与其背景区分开。

此外,由公式(3)可见,红外探测器D*是与空间红外遥感器的噪声等效温差NEΔT密切相关的,噪声等效温差是一个用于表征空间红外遥感器温度灵敏度的性能参数。红外探测器D*越高,红外成像系统的温度灵敏度越高。NEΔT与温度有关,因此,在确定NEΔT时需要明确温度,对噪声等效温差测试时,也必须明确测试用黑体温度。

由探测率计算公式以及探测率和噪声等效温差的关系可知,红外探测器D*越高,信噪比也会越高,噪声等效温差越小,探测灵敏度越高,成像性能也就越好。

4红外探测器D*的影响因素分析

4.1 积分时间对探测器D*的影响

积分时间是指在帧周期或行周期内,探测器累计接受辐射的有效时间。积分时间越长,信号越大,探测器的灵敏度越高,选择合适的积分时间对系统的整体性能有很大的影响。

红外探测器每个像元的注入电流为：

iin=ηqΔn

(4)

式中,Δn为入射光的光子流速率；q为电子电荷量；η为材料的量子效率。

(5)

式中,Φλ为光谱辐通量；λ为波长；c为光速；h为普朗克常数。

像元输出电流为：

(6)

式中,σ(λ)为光学系统的衰减函数；Lλ为入射辐亮度；Ω为黑体上一点对镜头的立体角；S为光学系统的入瞳尺寸。

黑体辐射源的辐亮度为：

(7)

式中,c1、c2为辐射常数；T为黑体温度。

由式(6)、式(7)可以得到：

(8)

由红外探测器读出电路可得：

(9)

式中,V1为积分起始时刻输出；V2为积分结束时刻输出；A1为读出电路放大倍数；A2为差分电路放大器倍数；tint为积分时间；Cf为积分电容；iout为像元输出电流。

由式(8)、式(9),将暗电流影响也考虑进去,得到下式：

(10)

式中,Vd为暗电流电压信号,认为探测器的暗电流id是不变的,则Vd=idtint。

由式(10)可得到探测器输出信号与积分时间之间的关系,保证其他参数不变时,探测器输出电压信号与积分时间成正比关系。

红外探测器的噪声为所有噪声的总和。红外探测器的总噪声电子数表示为：

(11)

式中,N为总噪声电子数；Nt为瞬态噪声电子数；Ns为空间噪声电子数。

(12)

式中,Np为光子噪声电子数；Nd为暗电流噪声电子数；Nr为读出噪声电子数。

光子噪声主要是由光子到达红外探测器的随机性引起的,属于白噪声；暗电流噪声是在没有辐射时,在一定的偏压下流过探测器的电流；读出噪声跟红外探测器读出电路结构相关,随读出电路结构不同而不同,文中讨论常用的CMOS开关结构。这三种噪声的表达式如下所示：

(13)

(14)

式中,Dd(i,j)为像元(i,j)无辐照时输出的电子数。

(15)

式中,q为电子电量；K为波尔兹曼常数；T为温度；C为电容。

从式(13)、式(14)和式(15)可见,光子噪声和暗电流噪声与积分时间有关,读出噪声与积分时间无关。

空间噪声是由红外探测器像元响应不一致性引起的,可以表示为：

(16)

式中,UR为响应率的非均匀性。

通过以上各式可以得到红外探测器的总噪声为：

(17)

对于目前使用的红外探测器,使用的是开关积分电路,所以其等效噪声带宽为开关积分带宽[4],即:

(18)

将式(9)代入红外探测器D*的定义公式,可得到：

(19)

4.2辐射源温度对探测器D*的影响

辐射源的温度与测试红外探测器D*所用黑体温度不同时,则红外探测器D*的设计值与实际值是有差异的。为问题分析方便起见,若只考虑黑体温度因素情况时,探测率D*是对一定温度的黑体的辐射而测量的,此时探测器D*表达式可表示为：

(20)

式中,Vs为探测器输出电压；Vn为探测器噪声电压；Ad为探测器像元面积；Δf为测量电路带宽；H为黑体照度。

当辐照光源为单色光时,红外探测器D*与光源波长有关,即D*为波长的函数,可以表示为：

(21)

式中,H(λ)为光谱辐照度。

由式(20)、式(21)可见,当辐射源为黑体时,探测率与黑体温度有关,黑体温度不同时,探测率不同；当辐射源为单色光时,探测率与单色光的波长有关,波长不同,探测率也不相同,与辐射源的温度无关。由此可见,D*(λ)反应了探测器的固有特性。

已有人推导出D*与D*(λ)的关系如下：

(22)

式中,J(λ)为辐射源光谱辐亮度；τ(λ)为考虑到大气、光学系统衰减后的总光谱透过率。

由公式(22)可知,当光谱响应范围为(λ1,λ2)时,探测率可以表示为：

(23)

由式(22)、式(23)可见,由于D*(λ)随入射波长而变化,即使红外探测器上的照度相同,但当辐射源的温度不同时,J(λ)不同,两式的积分也不相同,通常情况下,在红外探测器其他因素不变的情况下,红外探测器达到饱和之前,辐射源的温度越高,探测器D*值就越高,探测能力也就越强。然而,我们在实际应用时,由于目标温度的差异,会导致红外探测器对不同目标的探测能力也会有差异,为了能最大限度的满足应用需求,测试用辐射源的温度应接近实际探测目标的温度,或者总结不同温度情况下探测器D*之间的关系,使得探测器D*的实际测试值更接近成像系统应用的设计值。

4.3 背景辐射对探测器D*的影响

以往的经验,背景辐射对红外探测器的影响也很明显,尤其对截止波长≥12.5 μm的甚长波红外探测器影响更为显著,对于甚长波红外探测器,背景辐射会引起探测器暗电流的迅速增大,探测器在较短的积分时间内即达到饱和,探测器D*测量值相应较低。背景辐射所激发的载流子浓度涨落必然引起噪声,它由背景辐射激发的光子数均方来衡量[5]。

光伏型红外探测器背景限D*为：

(24)

式中,h为普朗克常数；c为光速；η为量子效率；EP为背景的光子辐照度。

从上述结果可以看出,背景辐射限探测率是由背景光子涨落所限制的探测率,他与背景温度和视场角有关。当背景温度下降时,背景辐射引起的光子数下降,光子涨落也随之下降,光子噪声减小,背景限探测率将会提高,这也是很多红外探测系统需要采用冷光学的原因,也是为了减小背景辐射影响。目前空间遥感器使用的红外探测器大都封装在真空度瓦中,里面均有冷屏,冷屏设计与光学系统匹配,其目的主要是为了尽可能消除背景辐射,使得红外探测器D*值提高,从而探测能力更好,此外,对于无杜瓦无冷屏的红外探测器,需要设计低温光学系统,也是为了降低背景辐射的影响。

4.4 1/f噪声对探测器D*的影响

1/f噪声也称闪烁噪声或调制噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在,当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。

所有的探测器中都存在1/f噪声。这种噪声主要出现在1 kHz以下的低频段,并且与光辐射的调制频率成反比。

实验发现,探测器的缺陷或不均匀性等表面工艺状态对1/f有较大影响。1/f的经验规律为：

(25)

或者为：

(26)

式中,kf为与探测器材料、工艺等有关的比例系数；α为与探测器电流有关的系数,通常取2；β为与探测器材料性质有关的系数,一般取0.8～1.3,大多情况下材料的β值取1,γ与探测器阻抗有关,一般取1.4～1.7。

当某些红外探测器的1/f噪声在总噪声中占有的比例较大时,在计算红外成像系统的性能,如D*、NEΔT、作用距离等时,必须要考虑这一因素的影响[6]。目前进行红外系统设计过程中,计算系统性能参数时均未考虑该因素的影响,从而导致红外系统性能参数设计误差较大,实际性能达不到设计值。甚至由于系统中没有反映1/f噪声的影响,出现系统设计片面地利用减小系统带宽来提高性能的错误。

一般说,只要限制低频端的调制频率不低于1 kHz,这种噪声就可以有效降低。

减小1/f噪声对红外探测器D*的影响有两方面的含义：一方面是从参数测量上,使红外探测器D*值包含1/f噪声的影响,从而减小系统设计的误差；另一方面是从实现和设计系统上如何减小1/f噪声对红外系统性能的影响。

4.5 探测器D*影响因素综合评价

从上述分析中可知,红外探测器D*受很多测试因素的影响,包括积分时间、辐射源温度、背景辐射、1/f噪声等外界因素。红外探测器D*是红外探测器的固有特性,只与其自身的因素有关,如像元尺寸、积分电容等,不会随外界条件的变化而改变,但是D*的测量值是与测试条件密切相关的,不同的测试条件得到的D*测量值也不同。因此,通常讲的探测器D*都是在规定的测试条件下测得的值,如规定黑体温度、调制频率、测量电路带宽、积分时间等等,在本文中只详细分析积分时间、辐射源温度、背景辐射、1/f噪声四个因素的影响。

5红外探测器D*的测试评价

根据第4节的分析,不同测试条件测得的探测率有差异,因此,应尽量将测试条件标准化。采取的做法一般是：

(1)辐射源温度

面源黑体温度一般设置为,高温黑体308 K,低温黑体293 K,低温黑体温度对应探测器输出参考电平,高低温黑体对应的探测器输出电平差即为探测器模拟信号输出。

(2)积分时间

积分时间一般调到使探测率最大。

(3)背景辐射

即使探测器封装在真空杜瓦中,内部有冷屏结构抑制一部分背景辐射,在测试时尽量也要减小外界背景辐射,黑体辐射源放置的位置应尽量靠近杜瓦窗口,使得面源黑体辐射源充满探测器视场。

(4)测量电路带宽(噪声)

探测器噪声电压是测量电路带宽的函数,探测器的总噪声功率谱在中频段较为平坦。

在不同的空间红外遥感器系统中,应根据遥感器实际应用情况确定探测器在系统中的测试条件：辐射源温度应根据系统实际探测目标调节；积分时间根据系统要求设置,使成像性能最好；遥感器整机测试时还应根据实际情况采取适当措施,尽量降低背景辐射的影响；并且应采取一定的方法降低噪声影响。

6 结 论

红外探测器作为空间红外遥感器的核心部件,其D*指标是遥感器总体指标设计最关心的指标,本文通过对红外探测器噪声等效功率分析的基础上,对红外探测器D*进行了分析,总结了探测器D*对红外成像系统成像性能的影响,通过对探测器D*的影响因素的分析,探测器D*的影响因素均影响D*的测试结果,因此,探测器D*测试时必须规定测试条件。

参考文献：

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