低溫背景應(yīng)用長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器性能參數(shù)的計(jì)算

對(duì)于在低溫背景條件下應(yīng)用的紅外焦平面探測(cè)器，在其設(shè)計(jì)階段首先需要確認(rèn)的是探測(cè)器在低溫背景下的主要性能參數(shù)是否滿足應(yīng)用需求。通過(guò)單元探測(cè)器的基本理論公式，從性能測(cè)試的角度，推導(dǎo)出了焦平面探測(cè)器主要性能指標(biāo)的理論計(jì)算公式，包括峰值響應(yīng)率、噪聲、峰值探測(cè)率、動(dòng)態(tài)范圍等。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，昆明物理研究所和空軍裝備部的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《紅外技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“低溫背景應(yīng)用長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器性能參數(shù)的計(jì)算”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為昆明物理研究所毛京湘正高級(jí)工程師，主要從事紅外焦平面探測(cè)器性能參數(shù)的測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)方面的研究工作。

本文通過(guò)基本的理論公式，對(duì)光伏型紅外焦平面探測(cè)器響應(yīng)信號(hào)電壓和噪聲進(jìn)行了分析和推導(dǎo)，并以此為基礎(chǔ)，從性能測(cè)試角度，對(duì)焦平面探測(cè)器的主要性能參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，提出了項(xiàng)目應(yīng)用條件下性能參數(shù)計(jì)算的設(shè)計(jì)流程。通過(guò)實(shí)例，對(duì)長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器在低溫背景下性能參數(shù)的計(jì)算進(jìn)行了設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。

理論計(jì)算（省略部分，詳見(jiàn)論文）

這部分詳細(xì)推導(dǎo)了背景溫度下輸出信號(hào)電壓、響應(yīng)信號(hào)電壓、噪聲（總噪聲、背景輻射噪聲、探測(cè)器噪聲、讀出電路噪聲、測(cè)試系統(tǒng)噪聲）、峰值響應(yīng)率、峰值探測(cè)率和動(dòng)態(tài)范圍理論分析及計(jì)算。

紅外焦平面探測(cè)器主要性能參數(shù)計(jì)算的設(shè)計(jì)流程

一般情況下，紅外焦平面探測(cè)器主要性能參數(shù)計(jì)算的設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖 1。首先根據(jù)應(yīng)用條件確定背景和目標(biāo)的模擬溫度（或光子輻照度），選擇擬使用探測(cè)器的響應(yīng)波段、像元面積、合適的F數(shù)（確定視場(chǎng)角大小）；根據(jù)探測(cè)器制造工作水平確定探測(cè)器的總量子效率、暗電流水平、零偏阻抗及預(yù)計(jì)工作溫度和偏置電壓；再根據(jù)讀出電路設(shè)計(jì)的電壓擺幅、積分電容及應(yīng)用所限定的積分時(shí)間等，根據(jù)第1章中的理論公式對(duì)性能指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，確定是否符合應(yīng)用或項(xiàng)目要求，如果不符合，選擇可更改的設(shè)計(jì)參數(shù)（如積分電容、電壓擺幅等）、工藝可改進(jìn)的參數(shù)（如工作溫度、暗電流大小、量子效率等）進(jìn)行多次組合計(jì)算，分析其合理性并確定可滿足應(yīng)用要求參數(shù)。

圖1 探測(cè)器主要參數(shù)計(jì)算的設(shè)計(jì)流程

低溫背景條件下長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器性能參數(shù)計(jì)算的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證實(shí)例

以長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器在低溫背景下的應(yīng)用為例進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。探測(cè)器應(yīng)用背景溫度200 K，模擬目標(biāo)溫度215 K，選定探測(cè)器像元面積9×10?? cm2，冷屏F數(shù)為1.4，響應(yīng)波段7.5~10 μm，要求200 K背景輸出信號(hào)為半阱（即輸出信號(hào)電壓為擺幅的一半）條件下，積分時(shí)間不大于2 ms，峰值響應(yīng)率不小于1.0×10? V/W，峰值探測(cè)率不小于2×1011cmHz1/2W?1，動(dòng)態(tài)范圍不小于78 dB。

初步設(shè)計(jì)探測(cè)器擬定工作溫度70 K，總量子效率約為0.6，暗電流水平大約在0.5~2 nA之間。讀出電路按5 V電源電壓設(shè)計(jì)，擺幅為3 V。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)波器件通常需要較大的積分電容，此時(shí)讀出電路的噪聲相對(duì)較小，取經(jīng)驗(yàn)值0.1 mV，測(cè)試系統(tǒng)噪聲按實(shí)際情況取0.2 mV，計(jì)算需要的關(guān)鍵參數(shù)讀出電路的積分電容是需要設(shè)計(jì)選擇的參數(shù)。

通過(guò)讀出電路給探測(cè)器加適當(dāng)?shù)姆雌妷?，探測(cè)器的噪聲電壓K取1。在不同的積分電容及暗電流條件下，根據(jù)要求選擇200 K輸出信號(hào)為半阱的積分時(shí)間對(duì)器件的主要性能參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果如表1。

表1 長(zhǎng)波紅外探測(cè)器低溫背景下主要性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果

對(duì)表 1理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)積分電容設(shè)計(jì)值在3.0~3.5 pF之間時(shí)，不同暗電流條件下半阱積分時(shí)間都小于2 ms，且峰值響應(yīng)率、峰值探測(cè)率及動(dòng)態(tài)范圍均滿足要求。

上述例子，最終積分電容的實(shí)際設(shè)計(jì)值為3.36 pF，擺幅3.2 V，電荷處理能力約57 Me?。對(duì)其典型探測(cè)器進(jìn)行了低溫背景性能實(shí)測(cè)，測(cè)試裝置示意圖見(jiàn)圖2，黑體面放置在真空腔體中，通過(guò)制冷機(jī)對(duì)其溫度進(jìn)行控制，其發(fā)射率略低于常溫黑體。將測(cè)試系統(tǒng)中低溫黑體系統(tǒng)換成常溫面源黑體后進(jìn)行了性能對(duì)比測(cè)試，主要測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

圖2 焦平面探測(cè)器低溫背景性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

表2 典型長(zhǎng)波紅外探測(cè)器主要性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果

從表 2可以看出，低溫背景下探測(cè)器的性能指標(biāo)均達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期要求。與常溫條件相比，要達(dá)到半阱輸出，低溫背景下積分時(shí)間是常溫條件下的約8.8倍，峰值響應(yīng)率是常溫的約8.4倍，近似成比例關(guān)系。盡管低溫背景下噪聲增加，動(dòng)態(tài)范圍略減小，峰值探測(cè)率仍明顯高于常溫，上述實(shí)測(cè)結(jié)果與理論分析及計(jì)算結(jié)果符合較好。

結(jié)論

低溫背景探測(cè)是紅外焦平面探測(cè)器最重要的應(yīng)用之一。在設(shè)計(jì)階段，低溫背景條件下紅外焦平面探測(cè)器的主要性能參數(shù)是否能滿足應(yīng)用需求是必須考慮的首要條件。通過(guò)單元探測(cè)器的基本理論公式，從性能測(cè)試的角度推導(dǎo)出了紅外焦平面探測(cè)器主要性能指標(biāo)的理論計(jì)算公式，提出了低溫背景條件下主要性能參數(shù)計(jì)算的設(shè)計(jì)流程，改變參數(shù)進(jìn)行多次組合計(jì)算可確定主要設(shè)計(jì)參數(shù)及可能達(dá)到的性能指標(biāo)。通過(guò)實(shí)例，對(duì)長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器在低溫背景下應(yīng)用的主要性能參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算，得到了滿足性能要求的讀出電路積分電容設(shè)計(jì)范圍。通過(guò)對(duì)典型探測(cè)器的測(cè)試驗(yàn)證，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算符合得比較好，表明了理論公式和設(shè)計(jì)流程具有較好的實(shí)用性，可為紅外焦平面探測(cè)器設(shè)計(jì)人員和性能測(cè)試評(píng)價(jià)工作提供理論參考。文中的公式及流程也可以擴(kuò)展到其它背景條件下紅外焦平面探測(cè)器性能參數(shù)的計(jì)算設(shè)計(jì)。

審核編輯：劉清