姜宇鵬　劉棟斌　李哲

摘 要： 為解決紅外圖像高質(zhì)量要求與緊張的衛(wèi)星有效載荷資源間矛盾，針對(duì)Xenics公司的InGaAs短波紅外探測(cè)器XLIN?1.7?2048開(kāi)展電制冷試驗(yàn)以確定其工作模式。對(duì)比暗背景與不同光輻照情況下，探測(cè)器開(kāi)啟半導(dǎo)體熱電制冷與不制冷時(shí)的像元均值、噪聲與靈敏度，綜合考慮系統(tǒng)要求、功耗、輻冷板面積、重量及可靠性等因素，最終確定常溫工作狀態(tài)下的工作模式。

關(guān)鍵詞： 短波紅外探測(cè)器； 熱電制冷； InGaAs探測(cè)器； 衛(wèi)星有效載荷

中圖分類(lèi)號(hào)： TN215?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

隨著工業(yè)化進(jìn)程不斷加速，二氧化碳（CO2）等溫室氣體對(duì)環(huán)境的影響逐漸引起人類(lèi)的重視。研制高光譜和高空間分辨率的二氧化碳探測(cè)儀，能夠監(jiān)測(cè)全球溫室氣體分布及含量，對(duì)人類(lèi)及國(guó)家戰(zhàn)略具有深遠(yuǎn)意義[1?2]。

云干擾對(duì)大氣探測(cè)具有一定的擾動(dòng)，隨機(jī)搭載的云與氣溶膠探測(cè)儀可以通過(guò)對(duì)氣溶膠的探測(cè)去除信號(hào)中的氣溶膠散射信號(hào)，提高溫室氣體探測(cè)的反演精度。

InGaAs是一種直接帶隙半導(dǎo)體合金材料，具有較高的電子遷移率、量子效率和良好的抗輻照特性，能夠在室溫或制冷條件下正常工作[3]，所以被廣泛應(yīng)用于空間遙感成像系統(tǒng)。Xenics公司的短波紅外探測(cè)器XLIN?1.7?2048能夠在室溫或電制冷條件下探測(cè)氣體譜段信息，因受制于衛(wèi)星有效載荷的緊張資源，有必要進(jìn)行開(kāi)展一系列制冷試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析以確定短波紅外探測(cè)器的工作模式。

1 紅外成系統(tǒng)

短波紅外探測(cè)器XLIN?1.7?2048是基于InGaAs的雙列讀出線(xiàn)陣紅外探測(cè)器，工作譜段范圍為0.9～1.7 μm，像元尺寸12.5 μm×12.5 μm，為滿(mǎn)足更高的應(yīng)用需求，短波紅外探測(cè)器內(nèi)部集成了半導(dǎo)體電制冷器，在制冷工作模式下可提高像元的探測(cè)靈敏度，在弱光、長(zhǎng)積分時(shí)間條件下對(duì)與暗電流噪聲的影響更為顯著。

電源連接兩塊不同的金屬，接通直流電后一個(gè)接觸點(diǎn)溫度降低，另一個(gè)接觸點(diǎn)溫度升高；若電源反接，則接觸點(diǎn)處溫度相反變化，這一現(xiàn)象稱(chēng)為帕爾帖效應(yīng)[4]，其冷端的產(chǎn)生是由于接觸點(diǎn)產(chǎn)生電子?空穴對(duì)，內(nèi)能減小，溫度降低，而熱端電子?空穴對(duì)復(fù)合，溫度升高向外散發(fā)量[5]。探測(cè)器內(nèi)部的TE1半導(dǎo)體制冷器分為上下兩個(gè)24 mm×6 mm的陶瓷基面，最大的通電電流為1.8 A，最大壓降為7.4 V，最大溫度變化范圍為[6]-40～100 ℃，見(jiàn)圖1。

XLIN內(nèi)部集成了Vishay負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（Negative Temperature Coefficient，NTC），在溫度較低時(shí)載流子（電子和空穴）較少，呈現(xiàn)的阻值較高，隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，導(dǎo)致阻值變小[7]，因此阻值的變化能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)探測(cè)器內(nèi)部溫度。25 ℃時(shí)，NTC熱敏電阻R25為4.7 kΩ，且溫度的變化與阻值變化呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

系統(tǒng)加電制冷及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)部分原理框圖如圖3所示。半導(dǎo)體制冷器TEC冷端面與探測(cè)器2048像元線(xiàn)陣列接觸，熱敏電阻NTC外接直流電壓用以產(chǎn)生直流信號(hào)電平，探測(cè)器內(nèi)部溫度的改變導(dǎo)致自身壓降變化，通過(guò)放大器后經(jīng)行A/D采樣，F(xiàn)PGA將接收到的數(shù)字信息發(fā)送至地檢設(shè)備，即可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由制冷或外接溫度變化引起的探測(cè)器內(nèi)部溫度變化值。

2 制冷試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)主要圍繞不同溫度下，短波紅外探測(cè)器的暗背景、輻射響應(yīng)靈敏度指標(biāo)開(kāi)展，綜合考慮開(kāi)啟制冷與不制冷兩種工作模式時(shí)，整星系統(tǒng)的功耗、散熱、可靠性、體積與重量等多方面因素，最終確定紅外探測(cè)器在軌工作模式。

短波紅外探測(cè)器制冷試驗(yàn)由積分球光源、輻亮度計(jì)、控制設(shè)備、紅外成像系統(tǒng)及地檢設(shè)備構(gòu)成，示意圖如圖4所示。紅外探測(cè)器置于距積分球0.5 m處，積分球控制系統(tǒng)通過(guò)輻亮度計(jì)反饋控制積分球光源，地檢設(shè)備接收紅外圖像及探測(cè)器內(nèi)部溫度，紅外探測(cè)器內(nèi)部半導(dǎo)體制冷器外接電源，通過(guò)調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)多種不同的工作模式。地檢設(shè)備選取探測(cè)器中的1 600個(gè)像元成像，為了提高信噪比采用4像元合并的方式顯示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 暗場(chǎng)響應(yīng)

短波紅外探測(cè)器的基本構(gòu)成單元就是P?N結(jié)光電二極管，波長(zhǎng)比截止波長(zhǎng)短的紅外輻射被光二極管吸收后產(chǎn)生了電子?空穴對(duì)。正常加電工作時(shí)，PN結(jié)施加反偏電壓，所以即使在沒(méi)有光照的情況下依舊會(huì)有反向電流產(chǎn)生[8?9]，暗電流為：

[Idark=Is[expqVkT-1]] （1）

式中：Is為反向電流；V是外加電壓，因此對(duì)于探測(cè)器，暗電流的高低取決于工作溫度。本系統(tǒng)12位量化精度輸出碼值為0～4 096，暗電平信號(hào)越高，則正常工作條件的動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍越小，暗噪聲也會(huì)越明顯[10]。

試驗(yàn)選取1.5 V，2.5 V，3.3 V作為制冷電壓值，在溫度15 ℃、相對(duì)濕度40%～60%的暗室狀態(tài)下，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5中從不制冷到1.5 V制冷電壓過(guò)程中，像元均值DN降幅最大；然而系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)像元噪聲STDEV隨著制冷電壓的增加卻始終位于0.7左右波動(dòng)，并未有較大的增加；單片探測(cè)器制冷功耗從0 W上升至3.3 V的1.9 W，整個(gè)系統(tǒng)四片紅外探測(cè)器加上電源板二次供電損耗，功耗增加量最大可達(dá)到10 W，散熱面輻冷板亦增加為不制冷工況下的兩倍。

3.2 輻射靈敏度響應(yīng)

紅外探測(cè)器輻射靈敏度計(jì)算公式為：

式中：DN為像元均值，L是積分球光輻亮度；B為響應(yīng)偏置；K即為探測(cè)器響應(yīng)靈敏度。

試驗(yàn)中調(diào)整制冷電壓，根據(jù)在軌工作條件及熱控要求，選取短波紅外探測(cè)器溫度為30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃及10 ℃時(shí)，記錄三種亮度等級(jí)的工況，計(jì)算探測(cè)器輻射響應(yīng)靈敏度如圖6所示。

全視場(chǎng)像元中上下尖峰為盲元，在某一溫度、相同光輻射輸入條件下，探測(cè)器所有像元靈敏度響應(yīng)有所差異，隨著像元編號(hào)的增加探測(cè)器靈敏度響應(yīng)逐漸升高；探測(cè)器制冷電壓的不同，模擬探測(cè)器10～30 ℃的工作溫度，像元在相同輻照度輸入的靈敏度響應(yīng)也不相同，但波動(dòng)不大于0.05 DN/（W/m2/sr/nm）。

4 結(jié) 論

為確定短波紅外探測(cè)器XLIN工作模式，設(shè)計(jì)了暗場(chǎng)及光輻射條件下的制冷試驗(yàn)。在不制冷情況下，紅外探測(cè)器暗場(chǎng)響應(yīng)DN值為150，較最大3.3 V制冷工況均值高42，探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍減小1%，但噪聲未見(jiàn)變化，且在光輻射輸入情況下，制冷工況與不制冷工況的靈敏度相差小于0.05 DN/（W/m2/sr/nm），能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。對(duì)于最高3.3 V制冷電壓，單機(jī)制冷功耗增加10 W，輻冷板面積增加兩倍，質(zhì)量和體積相應(yīng)增加，系統(tǒng)可靠性降低，所以綜合考慮，短波紅外探測(cè)器XLIN?1.7?2048在軌工作時(shí)無(wú)需電制冷能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 王龍，藺超，鄭玉權(quán).CO2探測(cè)儀星上定標(biāo)鋁漫反射板的制備與試驗(yàn)[J].中國(guó)光學(xué)，2013（4）：591?599.

[2] 陳程.CO2探測(cè)儀前置系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析[D].長(zhǎng)春：中國(guó)科學(xué)院研究生院，2011.

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[4] 鄭興，蔣亞?wèn)|，羅鳳武，等.基于ADN8830的非制冷紅外焦平面溫度控制電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（24）：154?156.

[5] 張偉斌，付安英，郭鐵，等.半導(dǎo)體制冷技術(shù)在臨床醫(yī)療的應(yīng)用研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（22）：51?53.

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

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[8] 張明濤，謝仁飆，朱磊，等.320×256短波紅外焦平面溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2009，28（3）：173?180.

[9] 呂衍秋，徐運(yùn)華，韓冰，等.128×1線(xiàn)列InGaAs短波紅外焦平面的研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2006，25（5）：333?337.

[10] 鐘軼，王淦泉.空間遙感用InGaAs探測(cè)器低噪聲電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].激光與紅外，2009，39（5）：514?517.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 暗場(chǎng)響應(yīng)

短波紅外探測(cè)器的基本構(gòu)成單元就是P?N結(jié)光電二極管，波長(zhǎng)比截止波長(zhǎng)短的紅外輻射被光二極管吸收后產(chǎn)生了電子?空穴對(duì)。正常加電工作時(shí)，PN結(jié)施加反偏電壓，所以即使在沒(méi)有光照的情況下依舊會(huì)有反向電流產(chǎn)生[8?9]，暗電流為：

[Idark=Is[expqVkT-1]] （1）

式中：Is為反向電流；V是外加電壓，因此對(duì)于探測(cè)器，暗電流的高低取決于工作溫度。本系統(tǒng)12位量化精度輸出碼值為0～4 096，暗電平信號(hào)越高，則正常工作條件的動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍越小，暗噪聲也會(huì)越明顯[10]。

試驗(yàn)選取1.5 V，2.5 V，3.3 V作為制冷電壓值，在溫度15 ℃、相對(duì)濕度40%～60%的暗室狀態(tài)下，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5中從不制冷到1.5 V制冷電壓過(guò)程中，像元均值DN降幅最大；然而系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)像元噪聲STDEV隨著制冷電壓的增加卻始終位于0.7左右波動(dòng)，并未有較大的增加；單片探測(cè)器制冷功耗從0 W上升至3.3 V的1.9 W，整個(gè)系統(tǒng)四片紅外探測(cè)器加上電源板二次供電損耗，功耗增加量最大可達(dá)到10 W，散熱面輻冷板亦增加為不制冷工況下的兩倍。

3.2 輻射靈敏度響應(yīng)

紅外探測(cè)器輻射靈敏度計(jì)算公式為：

式中：DN為像元均值，L是積分球光輻亮度；B為響應(yīng)偏置；K即為探測(cè)器響應(yīng)靈敏度。

試驗(yàn)中調(diào)整制冷電壓，根據(jù)在軌工作條件及熱控要求，選取短波紅外探測(cè)器溫度為30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃及10 ℃時(shí)，記錄三種亮度等級(jí)的工況，計(jì)算探測(cè)器輻射響應(yīng)靈敏度如圖6所示。

全視場(chǎng)像元中上下尖峰為盲元，在某一溫度、相同光輻射輸入條件下，探測(cè)器所有像元靈敏度響應(yīng)有所差異，隨著像元編號(hào)的增加探測(cè)器靈敏度響應(yīng)逐漸升高；探測(cè)器制冷電壓的不同，模擬探測(cè)器10～30 ℃的工作溫度，像元在相同輻照度輸入的靈敏度響應(yīng)也不相同，但波動(dòng)不大于0.05 DN/（W/m2/sr/nm）。

4 結(jié) 論

為確定短波紅外探測(cè)器XLIN工作模式，設(shè)計(jì)了暗場(chǎng)及光輻射條件下的制冷試驗(yàn)。在不制冷情況下，紅外探測(cè)器暗場(chǎng)響應(yīng)DN值為150，較最大3.3 V制冷工況均值高42，探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍減小1%，但噪聲未見(jiàn)變化，且在光輻射輸入情況下，制冷工況與不制冷工況的靈敏度相差小于0.05 DN/（W/m2/sr/nm），能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。對(duì)于最高3.3 V制冷電壓，單機(jī)制冷功耗增加10 W，輻冷板面積增加兩倍，質(zhì)量和體積相應(yīng)增加，系統(tǒng)可靠性降低，所以綜合考慮，短波紅外探測(cè)器XLIN?1.7?2048在軌工作時(shí)無(wú)需電制冷能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

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3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 暗場(chǎng)響應(yīng)

短波紅外探測(cè)器的基本構(gòu)成單元就是P?N結(jié)光電二極管，波長(zhǎng)比截止波長(zhǎng)短的紅外輻射被光二極管吸收后產(chǎn)生了電子?空穴對(duì)。正常加電工作時(shí)，PN結(jié)施加反偏電壓，所以即使在沒(méi)有光照的情況下依舊會(huì)有反向電流產(chǎn)生[8?9]，暗電流為：

[Idark=Is[expqVkT-1]] （1）

式中：Is為反向電流；V是外加電壓，因此對(duì)于探測(cè)器，暗電流的高低取決于工作溫度。本系統(tǒng)12位量化精度輸出碼值為0～4 096，暗電平信號(hào)越高，則正常工作條件的動(dòng)態(tài)探測(cè)范圍越小，暗噪聲也會(huì)越明顯[10]。

試驗(yàn)選取1.5 V，2.5 V，3.3 V作為制冷電壓值，在溫度15 ℃、相對(duì)濕度40%～60%的暗室狀態(tài)下，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖5中從不制冷到1.5 V制冷電壓過(guò)程中，像元均值DN降幅最大；然而系統(tǒng)關(guān)鍵指標(biāo)像元噪聲STDEV隨著制冷電壓的增加卻始終位于0.7左右波動(dòng)，并未有較大的增加；單片探測(cè)器制冷功耗從0 W上升至3.3 V的1.9 W，整個(gè)系統(tǒng)四片紅外探測(cè)器加上電源板二次供電損耗，功耗增加量最大可達(dá)到10 W，散熱面輻冷板亦增加為不制冷工況下的兩倍。

3.2 輻射靈敏度響應(yīng)

紅外探測(cè)器輻射靈敏度計(jì)算公式為：

式中：DN為像元均值，L是積分球光輻亮度；B為響應(yīng)偏置；K即為探測(cè)器響應(yīng)靈敏度。

試驗(yàn)中調(diào)整制冷電壓，根據(jù)在軌工作條件及熱控要求，選取短波紅外探測(cè)器溫度為30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃及10 ℃時(shí)，記錄三種亮度等級(jí)的工況，計(jì)算探測(cè)器輻射響應(yīng)靈敏度如圖6所示。

全視場(chǎng)像元中上下尖峰為盲元，在某一溫度、相同光輻射輸入條件下，探測(cè)器所有像元靈敏度響應(yīng)有所差異，隨著像元編號(hào)的增加探測(cè)器靈敏度響應(yīng)逐漸升高；探測(cè)器制冷電壓的不同，模擬探測(cè)器10～30 ℃的工作溫度，像元在相同輻照度輸入的靈敏度響應(yīng)也不相同，但波動(dòng)不大于0.05 DN/（W/m2/sr/nm）。

4 結(jié) 論

為確定短波紅外探測(cè)器XLIN工作模式，設(shè)計(jì)了暗場(chǎng)及光輻射條件下的制冷試驗(yàn)。在不制冷情況下，紅外探測(cè)器暗場(chǎng)響應(yīng)DN值為150，較最大3.3 V制冷工況均值高42，探測(cè)動(dòng)態(tài)范圍減小1%，但噪聲未見(jiàn)變化，且在光輻射輸入情況下，制冷工況與不制冷工況的靈敏度相差小于0.05 DN/（W/m2/sr/nm），能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。對(duì)于最高3.3 V制冷電壓，單機(jī)制冷功耗增加10 W，輻冷板面積增加兩倍，質(zhì)量和體積相應(yīng)增加，系統(tǒng)可靠性降低，所以綜合考慮，短波紅外探測(cè)器XLIN?1.7?2048在軌工作時(shí)無(wú)需電制冷能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。

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