红外探测器主要参数定义

红 外 探 测 器 1．量子效率

在某一特定波长上，每秒钟产生的光电子数与入射光子数之比。对理想的探测器，入射一个光子发射一个电子，?(?)?1。当然实际上不是所有的光子都可以被吸收，因此?(?)?1。

探测器对波长为?处的量子效率可以表示为：

?(?)?IS/e P/hv?34?10 其中h?6.6260755J.S，是普朗克常数，e是元电荷。

2. 响应率

输出信号电压S与输入红外辐射功率P之比即：

R?S(V/W)或（A/W）P

3. 响应波长范围

单色响应率与波长的关系，称为光谱响应曲线或响应光谱。热敏型红外探测器的响应率与波长无关。光电型红外探测器有峰值波长通常取响应率下降到

?p和长波限?c。

?p一半所在的波长为?c。光电探测器只有在小于?c范围

有响应，因此称为选择性红外探测器。

对于光子探测器，仅当入射光子的能量大于某一极小值光电效应。就是说，探测器仅对波长小于?c，或者频率大于

时才能产生 的光子才有响

应。因此，光子探测器的响应随波长线性上升，然后到某一截止波长?c突然下降为零。

而热型探测器响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感，在室温工作。灵敏度低、响应时间偏长，最快的响应时间也在毫秒量级。 热释电探测器主要应用于被动式的传感器中， 主要应用于防盗报警、来客告知等被动探测以及石油化工、电力等行业的温度测量、温度检测等灵敏度不是很高的场合。此外，热释电材料是还是制备非制冷红外成像设备的重要材料。

常见红外光子探测器及响应波段

4. 噪声

如果测量探测器输出的电子系统有足够大的放大倍数，即使没有入射辐射。也可以看到一些毫无规律的电压起伏,它的均方根称为噪声电压N，此噪声来源于探测器中的某些基本的物理过程。探测器的噪声主要有以下几个来源：1/f噪声(闪烁噪声)，暗电流噪声(热噪声)以及光电流噪声。

1/f噪声为低频噪声，在GaAs/AlGaAs QWIP中的影响很小，不是主

要的制约因素。制约器件性能的主要因素是暗电流噪声和光子噪声，即载流

子无规则的热运动造成的噪声。

当温度在绝对零度以上，由于电荷载流子的热运动，所有电阻都有热噪声。可通过减小电阻、带宽或者温度的方法降低热噪声。由于热噪声与绝对温度的平方根成正比，所以可以用降低温度的方法降低。例如，将某种电阻的温度由室温（298K）降低到液态氮的温度（77K），热噪声下降50%。

如前所述，QWIP的探测率的限制因素来源于两个方面，一是探测器本身的暗电流噪声，二是照射到探测器表面的背景光子涨落（光电子噪声）。在温度高于背景限制温度（TBLIP）时，暗电流噪声占主导作用，此时QWIP工作于器件噪声限制模式。当工作温度低于TBLIP时，由背景光子涨落引起的光电流噪声占主导地位，此刻QWIP工作于背景噪声限制（BLIP）模式。探测器在BLIP模式下工作时，具有最大的探测率，故而我们总是试图增加器件的

TBLIP。

5．信噪比

信噪比，即SNR（Signal to Noise Ratio），指入射辐射所产生的信号

输出电压与同时输出的噪声电压的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的杂音越少。一般来说，信噪比越大，说明混在信号里的噪声越小。

设入射功率产生的信号输出电压为S，噪声电压为N，则 SNR＝S/N (dB)

注：dB(Decibel，分贝)是一个纯计数单位，本意是表示两个量的比值大小，没有单位。

在电子工程领域，放大器增益使用的就是dB（分贝）。放大器输出与输入的比值为放大倍数，单位是“倍”，如10倍放大器，100倍放大器。当改用“分贝”做单位时，放大倍数就称之为增益，这是一个概念的两种称呼。

电学中分贝与放大倍数的转换关系为： A(V)(dB)=20lg(Vo/Vi)；电压增益

A(I)(dB)=20lg(Io/Ii)；电流增益 Ap(dB)=10lg(Po/Pi)；功率增益

使用分贝做单位主要有三大好处 :

（1）数值变小，读写方便。电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚至几十万，一台收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出，一共要放大2万倍左右。用分贝表示先取个对数，数值就小得多。

（2）运算方便。放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时，总增益就是相加。若某功放前级是100倍(20dB)，后级是20倍(13dB)，那么总功率放大倍数是100×20=2000倍，总增益为20dB＋13dB=33dB。

（3）符合听感，估算方便。人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。例如，当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时，听到的声音就响了很多；而从1瓦增强到2瓦时，响度就差不太多；再从10瓦增强到11瓦时，没有人能听出响度的差别来。如果用功率的绝对值表示都是1瓦，而用增益表示分别为10.4dB，3dB和0.4dB，这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。

分贝数值中，－3dB和0dB两个点是必须了解的。－3dB也叫半功率点或截止频率点。这时功率是正常时的一半，电压或电流是正常时的1/√2。在电声系统中，±3dB的差别被认为不会影响总特性。所以各种设备指标，如频率范围，输出电平等，不加说明的话都可能有±3dB的出入。

功率： 10lg(1/2) (dB)=-3 电流/电流：20lg(1/√2) (dB)=-3

例子：收音机的频响10Hz～40kHz，就是表示在这段频率中，输出幅度不会超过±3dB，也就是说在10Hz和40kHz这二个端点频率上，输出电压幅度只有中间频率段的0.707(1/√2)倍了。

0dB表示输出与输入或两个比较信号一样大。

6．响应率

输出信号电压S与输入红外辐射功率P之比：

R=S/P （v/w）

7．噪声等效功率

当入射辐射所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压时，这时的入射辐射功率称为噪声等效功率PNE （NEP) 。

设入射功率为P，噪声电压为 N，由于S=N，则

PNE?P?P?N/R(w) SN 等效噪声功率可以反映探测器的探测能力，但不等于系统无法探测到强度弱于等效噪声功率的辐射信号。如果采取相关接收技术，即使入射功率小于等效噪声功率，由于信号是相关的，噪声是不相关的，也是可以将信号检测出来的，但是这种检测是以增加检测时间为代价的。另外，强度等于等效噪声功率的辐射信号，系统并不能可靠地探测到。在设计系统时通常要求最 小可探测功率数倍于等效噪声功率，以保证探测系统有较高的探测概率。 注：噪声等效功率越小越好

8. 探测率（D）

D?1 PNE注：探测率越大越好

9. 比探测率（D）

*探测器的噪声等效功率与探测器的面积A有关。因而不能用它比较不同面积的探测器的优劣。通过分析，大多数红外探测器的噪声等效功率

PNE?A。考虑到带宽，则PNE?A?f。为了比较不同来源的红外探测器，制定了规一化的探测率D。

*

D?*A?fPNE?NPSRA?f?NA?f(cm.Hz12/w)

的物理意义可理解为1w辐射功率入射到光敏面积1cm2的探测器上，

是归一化的探测率，称为比

并用带宽为1Hz的电路测量所得的信噪比。探测率，读作D星。用

来比较两个探测器的优劣，可避免探测器面积或

测量带宽不同对测量结果的影响。比探测率和前面介绍的探测率定义上是有区别的，但由于探测率未对面积、带宽归一化，确实没有多大实用意义，一般文献报告中都不把

称之为“比探测率”，而是称为“探测率”，这只

是种约定俗成的做法。

10. 响应时间

当一定功率的辐射突然照射到探测器上时，探测器输出信号要经过一定

时间才能上升到与这一辐射功率相对应的稳定值。当辐射突然去除时，输出 信号也要经过一定时间才能下降到之前的值。这种上升或下降所需的时间叫探测器的响应时间，或时间常数。

11． 噪声等效温差（NETD）

评价热成像系统探测目标灵敏和噪声的一个客观参数。它的定义为：热成像系统信噪比（SNR）为1，探测目标与背景的温差。热成像的这个参数可以直接由示波器与表计进行客观测量，从而排除了观察人员的主观因素。NETD即为民用热像仪通常用来表述其温度分辨率的技术指标。

12. HgCdTe与QWIP的比较

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