热探测器主要参数解析

红外探测器是一种辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量的电能、热能等其他形式的能量。根据能量转换方式，可分为热探测器和光子探测器两大类：热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应而引起的探测器某一电特性的变化；而光子探测器是基于入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，具体表现为探测器响应元的自由载流子数目的变化。光子探测器的响应正比于吸收的光子数，而热探测器的响应正比于所吸收的能量。

两种探测器的作用机理虽然不同，但基本特性都可用等效噪声功率或探测率、响应率、响应时间等参数^[75，76]来描述，下面主要分析阐述热探测器的一些相关的基本参数：

1.等效噪声功率和探测率

通常将探测器输出信号等于探测器噪声时，入射到探测器上的辐射功率定义为等效噪声功率（NEP），单位为W。通常在高信号电平下测量，并根据下式来计算：

式中 H——辐照度（W/cm²）；

A_d——探测器光敏面面积（cm²）；

V_s——信号电压基波的方均根值（V）；

V_n——噪声电压方均根值（V）。

在实际测试过程中，由于探测器响应与辐射的调制频率有关，测量等效噪声功率时，黑体辐射源发出的辐射经调制后，照射到探测器光敏面上，辐射强度按固定频率作正弦变化。探测器输出信号滤除高次谐波后，利用方均根电压表测量其基波的有效值。

等效噪声功率可以反映探测器的探测能力，但并不表示系统无法探测到强度弱于等效噪声功率的辐射信号。在入射功率小于或等于等效噪声功率这种情况下，由于信号是相关的，噪声是不相关的，通常采取相关检测技术实现信号检测。在设计探测系统时，通常要求最小可探测功率高于等效噪声功率几倍以上，以保证探测系统有较高的探测率和低的虚警率。辐射测量系统由于有较高的测量精度要求，对弱信号也要求有一定的信噪比。

等效噪声功率被用来度量探测器的探测能力，从上式分析，等效噪声功率最小的探测器的探测能力是最好的。用等效噪声功率的倒数表示探测能力，称为探测率（用D表示），这样较好的探测器有较高的探测率。因此，探测率被表达为

探测率与测量条件有关，为了对不同测试条件下测得的探测率进行比较，通常把这些条件标准化。对于辐射波长与探测器温度，由于探测率和它们之间在理论上无明显关系，波长和制冷温度只能在测量条件中加以说明；对于调制频率，解决探测率随调制频率变化的方法是将频率选得足够低，以避开探测器时间常数带来的限制；对于探测器偏流，一般调到使探测率最大；对于探测器面积和测量电路带宽，广泛的理论和实验研究表明，通常假定探测器输出的信噪比与探测器面积的二次方根成正比，即认为探测率与探测器面积的二次方根成反比。探测器输出噪声包含各种频率成分，噪声电压是测量电路带宽的函数，由于探测器总噪声功率谱在中频段较为平坦，认为测得的噪声电压只与测量电路带宽的二次方根成正比，即探测率与测量电路带宽的二次方根成反比。因此，被定义如下：

D^*的单位为cm·Hz^1/2·W^-1（Jones），其物理意义可理解为1W辐射功率入射到光敏面积1cm²的探测器上，并用带宽为1Hz的电路测量所得的信噪比。D^*是归一化的探测率，称为比探测率，也常被称为探测率，但与前面介绍的探测率在定义上是有区别的。用D^*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。

2.黑体探测率和单色探测率

测量D^*时如采用黑体辐射源，测得的D^*称为黑体D^*，记作D^*_bb。通常为了进一步明确测量条件，黑体D^*通常注明黑体温度和调制频率。如Db^*_bb（500K，800）表示是对500K黑体，调制频率为800Hz所测得的D^*值。而测量时如用单色辐射源，测得的探测率为单色探测率，记作D_λ^*。

3.背景噪声对探测率的限制

光子探测器和热探测器的比探测率的最终极限将受背景噪声的限制，对于热探测器，背景辐射的起伏将引起探测器温度的起伏，并且探测器本身辐射也将引起统计性温度起伏。如果信号辐射引起的温度变化低于这两种温度起伏，就探测不到信号辐射。温度起伏也是一种噪声，受温度噪声限制的热探测器的等效噪声功率为

式中 G——响应元与周围环境的热导。

在300K时，如响应元的面积为1mm²，带宽为1Hz，则D^*（cm·Hz¹/2·W^-1）的极限值为

D^*=1.81×10¹⁰(www.xing528.com)

4.响应率

响应率等于单位辐射功率入射到探测器上所产生的信号输出，以电压形式表示。对以电流方式输出的探测器，如输出短路电流的光伏探测器，也可用电流形式表示。

电压响应率为，单位为V/W；电流响应率为，单位为A/W。

通常认为，只要探测率足够高，探测器有足够的信噪比，信号较弱是能用电路放大的方法弥补的。但实际上响应率过低，就必须提高前置放大器的放大倍率，而高倍率的放大器会引入更多噪声，如选用探测率较低但响应率高的探测器，系统的探测性能会更好一些。因此，对系统设计来说，探测器的响应率和探测率是两个重要的参数。

5.光谱响应

探测器的光谱响应是指探测器受不同波长的光照射时，其R、D^*随波长变化的情况。设辐射的是波长为λ的单色光，测得的R、D^*可用R_λ、D_λ*表示，称为单色响应率和单色比探测率，或称为光谱响应率和光谱比探测率。

如果在某一波长λ_p处，响应率、探测器达到峰值，则λ_p称为峰值波长，而R_λ、D_λ^*分别称为峰值响应率和峰值比探测率。此时的D^*可记做D^*（λ_p，f），注明的是峰值波长和调制频率，而黑体比探测率D^*（T_bb，f）注明黑体温度和调制频率。

以横坐标表示波长，纵坐标表示光谱响应率，则光谱响应曲线表示每单位波长间隔内恒定辐射功率产生的信号电压。光子探测器和热探测器的光谱响应曲线是不同的，理想情况如图3-1所示。热探测器的响应只与吸收的辐射功率有关，而与波长无关，因为其温度的变化只取决于吸收的能量。

对于光子探测器，仅当入射光子的能量大于某一极小值hν_c时才能产生光电效应。也就是说，探测器仅对波长小于λ_c，或者频率大于ν_c的光子才有响应。光子探测器的光谱响应正比于入射的光子数，由于光子能量与波长λ成正比，在单位波长间隔内辐射功率不变的前提下，入射光子数目同样与波长成正比。因此，光子探测器的响应随波长λ线性上升，然后到某一截止波长λ_c突然下降为零。

图3-1 光子探测器和热探测器的光谱响应曲线

理想情况下，光子探测器的光谱比探测率D_λ^*可写成当λ≤λ_c时，

D_λ^*c；当λ>λ_c时，D_λ^*=0。

6.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辐射前的值。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。

响应时间直接反映探测器的频率响应特性，其低通频响特性可表示为

式中 R_f——调制频率为f时的响应率；

R₀——调制频率为零时的响应率；

τ——探测器的响应时间。

当f远小于1/2πτ时，响应率就与频率无关；当f远大于1/2πτ时，响应率和频率成反比。系统设计时，应保证探测器在系统带宽范围内响应率与频率无关。由于光子探测器的时间常数可达数十纳秒至微秒，所以在一个很宽的频率范围内，频率响应是平坦的；而热探测器的时间常数较大，因此频率响应平坦的范围仅几十赫兹而已。