敏感装置介绍：红外引信的光学接收器设计与原理

红外引信的敏感装置也可称为光敏装置或光学接收器。其任务是定向接收目标的红外辐射，并将红外信号转变为电信号。

光敏装置主要由以下元件组成：滤光器，光学系统，光敏电阻。

一、滤光器

滤光器的任务是完成色谱滤波，以加强抗干扰性，也就是要最大限度地削弱工作上不需要的光谱段辐射能。从前面对目标和背景的辐射特性分析表明，滤波器应在目标辐射的主要能量分布的波段内构成通带。如对喷气式飞机，应在3.5～5μm范围构成通带，在2μm以下是背景干扰能量集中处，要尽可能地予以衰减。因此，要求滤波器通带的短波段边沿要陡峭，而长波段可以不作更多要求。

滤光器是利用各种不同的光学现象如吸收、干扰、选择性反射、偏振等来进行工作的。从结构上可分为固体的、液体的和气体的三类。在引信中常用的是固体滤光器。固体滤光器分为吸收式和非吸收式两大类。

吸收式滤光器是由于光辐射通过物质时，会引起分子、原子或束缚电子的振动，从而吸收一部分辐射能。这种吸收是以单个吸收带形式出现，故称为选择性吸收。属于这一类的有：动物胶滤光器、有色玻璃滤光器、塑料滤光器等。

图7-8　动物胶滤光器光谱透射曲线

动物胶滤光器，它是一层染色的动物胶膜（厚0.5～0.1mm），为了防止胶膜受潮和受温度的直接影响，将它夹在两块平面玻璃之间胶合起来。它的光谱透射曲线如图7-8所示。动物胶滤光器的缺点是光谱特性不稳定，会逐渐发生变化，受温度和湿度的影响；坚固性差。

有色玻璃滤光器，它是在玻璃上用分子染色剂及胶质染色，染色的物质不同，其光谱特性也不同。图7-9是含氧化锰的玻璃滤光器的光谱特性曲线。由曲线可见，这种玻璃不能通过可见光，而能通过0.9～4.5μm的红外辐射，因此它是近红外的良好滤光器。与动物胶滤光器相比有以下优点：耐热高，光谱特性稳定，不随时间增长而变化。可以大量制造特性相同的滤光器。

塑料滤光器，是由赛璐珞、尼龙和聚乙烯化合物制造的滤光器。呋喃树脂滤光器就属于此类滤光器。其光谱透射曲线如图7-10所示。可以制成1～3μm范围内透射性良好的滤光器。

图7-9　含氧化锰的玻璃滤光器的光谱特性曲线

图7-10　塑料滤光器的光谱透射曲线

无吸收性的滤光器本身不吸收辐射能量，是靠滤光器对辐射能产生漫射或散射的原理而工作的。属于此类的有粉末滤光器、粗糙表面滤光器和异折射率滤光器。

二、光学系统

光学系统的作用是接收辐射通量，把它传送给红外敏感元件上去，并保证敏感元件能获得最大的辐射照度，同时还要保证引信具有方向图所要求的视角。通常目标辐射源总是向四面八方辐射能量的，而引信中的敏感元件感光面小，因此必须利用光学系统，把投射到上面的辐射能变成一定方向传播的光线聚焦到敏感元件的感光面上。光学系统的感光面比敏感元件的感光面大得多，因而使敏感元件感光面的照度大大加强了。

对光学系统的要求：

（1）保证光学系统在弹轴的子午面构成尖锐的定向视角，同时在赤道面上有完整的圆周视角，以取得最大的杀伤效果。

（2）具有足够大的感光面积和良好的会聚特性，以提高引信的灵敏度。

（3）保证有一定的光谱特性以提高抗背景干扰和减少作用距离的散布。

（4）引信工作波段内的光线通过它时，损失要小。

（5）结构紧凑，稳固可靠，工艺性好，便于制造、装配和调整。

光学系统大致可分为三类：

透镜系（折射系）：由于透镜材料的光的折射率和空气的不同，因此，光线在通过它和空气介质的界面时要产生折射，只要适当地赋予界面的几何形状，便可使通过它的光线朝着所需要的方向传播。

反射镜系（反射系）：光线在传播中受到一个或几个反射镜的反射，只要适当地赋予反射镜面的形状，就可使反射的光线朝着所要求的方向传播，投影到敏感元件的感光面上。目前引信多采用抛物面的形状。

混合镜系（折射反射系）：即透射和反射系混合使用。由于引信受体积限制，混合镜系在引信中使用较少。

三、敏感元件(www.xing528.com)

被动式红外引信的关键部件是敏感元件。它是一个把热能转换为电能的红外辐射能转换器。

1.敏感元件的分类

红外辐射的各种效应都可用来制造红外敏感元件，但真正能做出有实用价值的敏感元件主要是红外辐射的热效应和光电效应。因而红外敏感元件可以分成两大类，即热敏元件和光电元件。

热敏元件是利用物体因红外辐射和照射而变热的所谓热效应。物体变热而温度升高会引起一些物理参数的改变，有些物理参数的改变比较大，就可以用来制造红外敏感元件。因而从物理过程来说，热敏元件一方面需要使敏感元件的温度升高，这一过程是比较慢的，因此热敏元件的响应时间都比较长，大都在毫秒量级以上。另一方面，由于是加热过程中不管是什么波长的红外辐射，功率相同，对物体的加热效果也相同，因此，热敏元件对入射辐射的各种波长基本上都具有相同的响应率，称为无选择性红外敏感元件。由于这类元件存在上述灵敏度低及无选择性的性能，故在引信中没有得到应用。

光电元件是利用物体中电子吸收红外辐射而改变运动状态的光电效应。其物理过程是红外辐射的照射直接引起电学性质的改变，这个过程比起加热物体的过程要快得多，因而其响应时间一般要比热敏元件的响应时间短得多，最短的可达纳秒量级。此外，要使物体内部的电子改变运动状态，入射辐射的光子能量必须足够大，也就是它的频率必须大于某一值。换成波长来说，就是能引起光电效应的辐射有一个最长的波长限存在。因而光电元件的光谱响应曲线都是一个长波限。只要光子的能量足够大，相同数目的光子基本上具有相同的效果。因此，这类敏感元件常常被称为光子敏感元件。光电敏感元件可有三种，第一种是金属受辐射照射会引起电子发射，可称为光电子发射效应，基于这一效应制成的光电管已经是可见光波段内常用的一种敏感元件，它所响应的波长最长只能到约1.1μm；第二种是辐射照射均匀的半导体引起电导率增加的光电导效应；第三种是辐射照射半导体PN结产生电动势的光生伏特效应的光电敏感元件，在引信中被广泛应用。

光电导型红外敏感元件是利用一种半导体物质在辐射通量照射下，使处在满带上的电子获得能量，破坏了晶格的束缚，而使越过禁带而到达导带的电子增加，使得半导体的导电性升高，这就叫光电导效应。这种半导体物质也叫光敏电阻。如果把一块电阻为R的半导体光敏电阻，接在图7-11的电路中，RL为负载电阻，U为恒定的电压。当半导体受到辐射时，电导率增加，也就是电阻R减低，则通过R与RL串联电路的电流就增大。由于RL值是不变的，因而a、b两点之间的电压就增大。这个电压增量的大小就反映出入射辐射功率的大小。如果用适当的方法（调制盘M）把入射辐射功率调制成如图7-11所示的正弦变化，只要正弦的频率不太高，探测器的响应跟得上这个变化，a、b两端之间的电压，除掉直流成分外，就有一个同样频率的正弦变化的电压，这个电压经过放大后可以控制终端工作。已经做成光电导型红外敏感元件的半导体，有硫化铅、砷化铟、锑化铟和碲镉汞等。在红外引信中一般采用硫化铅光敏电阻，它不需特殊的低温装置，在常温下具有足够的灵敏度，最大接收波长介于1～3μm。

图7-11　利用光电导型红外敏感元件产生控制电压的原理电路

2.红外敏感元件的特性参数

响应率：输出的电压与输入的红外辐射功率之比。单位为V/W，通常用μV/μW。如用R代表响应率，Us代表输出电压，P为红外辐射的功率，则

响应波长范围：红外敏感元件的响应率与入射辐射波长有一定关系，可用坐标图把它画出来。又可称为光谱响应曲线或响应光谱。图7-12是两种典型的光谱响应曲线。图7-12（a）表明，在测量范围内，响应率与波长无关。图7-12（b）表明两者有一定关系，有一个响应率为最大的“响应峰”存在，波长为λρ。在λρ的短波方面，响应率缓慢下降。而在其长波方面，则响应迅速下降到零。把下降到峰值的一半所在的波长λc，叫做“截止波长”或者叫做响应的“长波限”，即红外敏感元件的使用波长最长只能到λc。

图7-12　两种典型光谱响应曲线

（a）R与λ无关；（b）R与λ有关

响应时间（或称时间常数，弛豫时间）：当一定功率的辐射突然照射到敏感元件的敏感面上时，敏感元件的输出电压要经过一定的时间才能上升到与这一辐射功率相对应的稳定值。当辐射突然去掉后，输出电压也要经过一定的时间才能下降到辐射照射之前的原有值。一般来讲，上升或下降所需的时间是相等的，这就是敏感元件的“响应时间”。可用响应时间常数来表示敏感元件的响应时间，定义它为在照度突然变化时，敏感元件的输出达到最大值的63%所需要的时间。

探测率：当敏感元件敏感元具有单位面积、放大器的带宽为1Hz时，单位功率的辐射所能获得的信号-噪声之比。前面所说的响应率虽是一个方便的参数，但它给不出可探测的最小辐射通量的大小。仅从响应率的定义来看，好像是只要有红外辐射存在，不管它的功率如何小，都可以探测出来。事实并不是这样，任何一个敏感元件，不管它是根据什么原理制成的，都有一定的噪声。当入射辐射的功率降低到它所引起的输出电压远小于噪声电压时，我们就无法判断是否有红外辐射投射在敏感元件上。这样，敏感元件探测辐射的本领就有一个限度了，需要有一个表示这个限度的特性参数。如果投射到敏感元件上面的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于敏感元件本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做“噪声等效功率”，也就是说，它对敏感元件所发生的效果与噪声相等。噪声等效功率用符号NEP代表，它是一个可以测量的量。但当信噪比为1时，很难测到信号，所以，一般在高信号电平下测量。设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为Us。然后去掉辐射源，测得敏感元件的噪声电压为UN，则按比例计算，要使Us等于UN的辐射功率就是

噪声等效功率基本上能够表达出一个红外敏感元件敏感红外辐射的能力。但它本身还有一些缺点：它的大小既依赖于敏感元件敏感元的面积A，也依赖于放大器的带宽Δf。因此，仅用噪声等效功率数值很难比较两个不同来源的敏感元件的优劣。另外，NEP的数值是越小越好，这与我们的习惯也不一致。为避免以上缺点，就制定了另一个特性参数——“探测率”，也可称“归一化的探测率”，用D*来代表。经过分析与实验表明，大多数重要的红外敏感元件的NEP都与面积A的平方根成正比，与带宽Δf的平方根成正比，因而NEP/就应当与A和Δf没有关系了。定义它的倒数为探测率，即

它的数值越大就表明敏感元件的性能越好。在进行上述测量时，测量条件必须符合一些共同规定：辐射源用黑体辐射，一般规定500K的黑体辐射；要用适当方法把入射辐射的强度改造成按正弦变化的强度，即“正弦调制”；输入的辐射功率与输出的电压都要用均方根值等。因此，在说明一个红外敏感元件的探测率时，必须指明辐射源的性质、调制频率和放大器的带宽。即

D*（辐射源，调制频率，带宽）

例如：以500K黑体作辐射源，调制频率为800Hz，放大器带宽为1Hz，应写成

D*(500K，800Hz，1Hz)

探测率反映了敏感元件的灵敏特性。表7-4给出了几种典型热敏元件的重要特性。

表7-4　几种典型热敏元件的重要特性

表7-4可见，敏感元件的灵敏特性与温度有关，温度降低时，探测能力可以大大提高。例如，常用的硫化铅光敏电阻在-164℃下的暗电阻为110kΩ，在偏压为-8V、调制频率为800Hz时，对于500K的黑体来说，其探测率则为。它的光谱响应的峰值波长则为3.0μm，配合滤光片之后，探测系统的响应波段为2.7～3.6μm。所以，降温不仅可以提高系统的灵敏度，还可以大大提高系统的抗干扰能力。当然，这就要求在引信中设置专门的制冷装置。