徐麗娜,董 杰,戴立群,賈慧麗

(北京空間機電研究所,北京 100094)

1 引 言

長期以來,以光學(xué)遙感器為核心研究內(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]。紅外探測器是紅外光學(xué)遙感器的核心組成部分,紅外探測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)的一個重要途徑是提高探測器的探測率D*,而限制探測器D*的關(guān)鍵因素是器件的信噪比,可見D*是紅外探測器的重要參數(shù)。無論在軍用領(lǐng)域還是民用領(lǐng)域,紅外探測器D*尤為重要,因此,對紅外探測器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,目前國內(nèi)對紅外探測器D*的研究也很重視,從很多方面對紅外探測器D*進行分析。噪聲、輻射源溫度、背景輻射、積分時間、測試方法等因素對探測器D*的測試結(jié)果都有一定的影響,這些都對空間紅外光學(xué)遙感器的指標設(shè)計有重要的參考價值。

2 紅外探測器分類及原理

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

光子探測器是以光電效應(yīng)作為探測基礎(chǔ),當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)生運動狀態(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)點主要體現(xiàn)在探測信噪比高、響應(yīng)速度快、選擇性強等,是當今發(fā)展最快、應(yīng)用最為普遍的紅外探測器,被廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域。

熱紅外探測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)生溫差電動勢、電阻率變化、自發(fā)極化強度變化、氣體體積和壓強變化等。測量這些變化就可以測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,但和某一特定波長敏感的光子探測器相比,該類器件的響應(yīng)時間比較長,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器,本文對探測器D*的分析也都是基于光子探測器的。

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

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

3紅外探測器D*分析

3.1 紅外探測器D*分析

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

(1)

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

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

(2)

式中,Ad為探測器光敏面積。實際上,D*就是探測器單位面積、單位放大器帶寬、單位輻射功率下的信噪比。通常單個探測器的探測率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。

從探測器D*的計算公式可知紅外探測器D*與信噪比密切相關(guān),紅外探測器D*的水平反映了信噪比的水平,探測率越高,信噪比高,動態(tài)范圍也會越大,探測器的探測能力也就越高。

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)計的一項關(guān)鍵指標。在選擇相應(yīng)的紅外探測器時,應(yīng)考慮所選的紅外探測器能滿足空間紅外遙感器對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器D*是密切相關(guān)的,在系統(tǒng)指標確定的情況下,紅外探測器D*越高,噪聲等效溫差越小,遙感器的溫度靈敏度就會越高。

3.2 紅外探測器D*對相機NEΔT的影響

從信號處理角度來看,影響探測器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,一般指的是信號與噪聲之比,如果兩個目標或目標與其背景間的輻射率或反射率差對應(yīng)的信號差小于噪聲引起的信號波動,則在圖像中難以將兩個目標或目標與其背景區(qū)分開。

此外,由公式(3)可見,紅外探測器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時需要明確溫度,對噪聲等效溫差測試時,也必須明確測試用黑體溫度。

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

4紅外探測器D*的影響因素分析

4.1 積分時間對探測器D*的影響

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

紅外探測器每個像元的注入電流為：

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；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為黑體上一點對鏡頭的立體角；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)

由紅外探測器讀出電路可得：

(9)

式中,V1為積分起始時刻輸出；V2為積分結(jié)束時刻輸出；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去,得到下式：

(10)

式中,Vd為暗電流電壓信號,認為探測器的暗電流id是不變的,則Vd=idtint。

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

紅外探測器的噪聲為所有噪聲的總和。紅外探測器的總噪聲電子數(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紅外探測器的隨機性引起的,屬于白噪聲；暗電流噪聲是在沒有輻射時,在一定的偏壓下流過探測器的電流；讀出噪聲跟紅外探測器讀出電路結(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)。這三種噪聲的表達式如下所示：

(13)

(14)

式中,Dd(i,j)為像元(i,j)無輻照時輸出的電子數(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間有關(guān),讀出噪聲與積分時間無關(guān)。

空間噪聲是由紅外探測器像元響應(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器的總噪聲為：

(17)

對于目前使用的紅外探測器,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)代入紅外探測器D*的定義公式,可得到：

(19)

4.2輻射源溫度對探測器D*的影響

輻射源的溫度與測試紅外探測器D*所用黑體溫度不同時,則紅外探測器D*的設(shè)計值與實際值是有差異的。為問題分析方便起見,若只考慮黑體溫度因素情況時,探測率D*是對一定溫度的黑體的輻射而測量的,此時探測器D*表達式可表示為：

(20)

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

當輻照光源為單色光時,紅外探測器D*與光源波長有關(guān),即D*為波長的函數(shù),可以表示為：

(21)

式中,H(λ)為光譜輻照度。

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

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,當光譜響應(yīng)范圍為(λ1,λ2)時,探測率可以表示為：

(23)

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

4.3 背景輻射對探測器D*的影響

以往的經(jīng)驗,背景輻射對紅外探測器的影響也很明顯,尤其對截止波長≥12.5 μm的甚長波紅外探測器影響更為顯著,對于甚長波紅外探測器,背景輻射會引起探測器暗電流的迅速增大,探測器在較短的積分時間內(nèi)即達到飽和,探測器D*測量值相應(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)均方來衡量[5]。

光伏型紅外探測器背景限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,背景輻射限探測率是由背景光子漲落所限制的探測率,他與背景溫度和視場角有關(guān)。當背景溫度下降時,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,背景限探測率將會提高,這也是很多紅外探測系統(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器大都封裝在真空度瓦中,里面均有冷屏,冷屏設(shè)計與光學(xué)系統(tǒng)匹配,其目的主要是為了盡可能消除背景輻射,使得紅外探測器D*值提高,從而探測能力更好,此外,對于無杜瓦無冷屏的紅外探測器,需要設(shè)計低溫光學(xué)系統(tǒng),也是為了降低背景輻射的影響。

4.4 1/f噪聲對探測器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,當電流流過時在微粒間發(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。

實驗發(fā)現(xiàn),探測器的缺陷或不均勻性等表面工藝狀態(tài)對1/f有較大影響。1/f的經(jīng)驗規(guī)律為：

(25)

或者為：

(26)

式中,kf為與探測器材料、工藝等有關(guān)的比例系數(shù)；α為與探測器電流有關(guān)的系數(shù),通常取2；β為與探測器材料性質(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與探測器阻抗有關(guān),一般取1.4～1.7。

當某些紅外探測器的1/f噪聲在總噪聲中占有的比例較大時,在計算紅外成像系統(tǒng)的性能,如D*、NEΔT、作用距離等時,必須要考慮這一因素的影響[6]。目前進行紅外系統(tǒng)設(shè)計過程中,計算系統(tǒng)性能參數(shù)時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)計誤差較大,實際性能達不到設(shè)計值。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)計片面地利用減小系統(tǒng)帶寬來提高性能的錯誤。

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

4.5 探測器D*影響因素綜合評價

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

5紅外探測器D*的測試評價

根據(jù)第4節(jié)的分析,不同測試條件測得的探測率有差異,因此,應(yīng)盡量將測試條件標準化。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,低溫黑體溫度對應(yīng)探測器輸出參考電平,高低溫黑體對應(yīng)的探測器輸出電平差即為探測器模擬信號輸出。

(2)積分時間

積分時間一般調(diào)到使探測率最大。

(3)背景輻射

即使探測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,在測試時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器視場。

(4)測量電路帶寬(噪聲)

探測器噪聲電壓是測量電路帶寬的函數(shù),探測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)遙感器實際應(yīng)用情況確定探測器在系統(tǒng)中的測試條件：輻射源溫度應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)實際探測目標調(diào)節(jié)；積分時間根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)置,使成像性能最好；遙感器整機測試時還應(yīng)根據(jù)實際情況采取適當措施,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

紅外探測器作為空間紅外遙感器的核心部件,其D*指標是遙感器總體指標設(shè)計最關(guān)心的指標,本文通過對紅外探測器噪聲等效功率分析的基礎(chǔ)上,對紅外探測器D*進行了分析,總結(jié)了探測器D*對紅外成像系統(tǒng)成像性能的影響,通過對探測器D*的影響因素的分析,探測器D*的影響因素均影響D*的測試結(jié)果,因此,探測器D*測試時必須規(guī)定測試條件。

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