低温背景应用长波红外焦平面探测器性能参数的计算

对于在低温背景条件下应用的红外焦平面探测器，在其设计阶段首先需要确认的是探测器在低温背景下的主要性能参数是否满足应用需求。通过单元探测器的基本理论公式，从性能测试的角度，推导出了焦平面探测器主要性能指标的理论计算公式，包括峰值响应率、噪声、峰值探测率、动态范围等。

据麦姆斯咨询报道，近期，昆明物理研究所和空军装备部的联合科研团队在《红外技术》期刊上发表了以“低温背景应用长波红外焦平面探测器性能参数的计算”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为昆明物理研究所毛京湘正高级工程师，主要从事红外焦平面探测器性能参数的测试评价技术方面的研究工作。

本文通过基本的理论公式，对光伏型红外焦平面探测器响应信号电压和噪声进行了分析和推导，并以此为基础，从性能测试角度，对焦平面探测器的主要性能参数进行了理论计算，提出了项目应用条件下性能参数计算的设计流程。通过实例，对长波红外焦平面探测器在低温背景下性能参数的计算进行了设计及验证。

理论计算（省略部分，详见论文）

这部分详细推导了背景温度下输出信号电压、响应信号电压、噪声（总噪声、背景辐射噪声、探测器噪声、读出电路噪声、测试系统噪声）、峰值响应率、峰值探测率和动态范围理论分析及计算。

红外焦平面探测器主要性能参数计算的设计流程

一般情况下，红外焦平面探测器主要性能参数计算的设计流程见图 1。首先根据应用条件确定背景和目标的模拟温度（或光子辐照度），选择拟使用探测器的响应波段、像元面积、合适的F数（确定视场角大小）；根据探测器制造工作水平确定探测器的总量子效率、暗电流水平、零偏阻抗及预计工作温度和偏置电压；再根据读出电路设计的电压摆幅、积分电容及应用所限定的积分时间等，根据第1章中的理论公式对性能指标进行计算，确定是否符合应用或项目要求，如果不符合，选择可更改的设计参数（如积分电容、电压摆幅等）、工艺可改进的参数（如工作温度、暗电流大小、量子效率等）进行多次组合计算，分析其合理性并确定可满足应用要求参数。

图1 探测器主要参数计算的设计流程

低温背景条件下长波红外焦平面探测器性能参数计算的设计及验证实例

以长波红外焦平面探测器在低温背景下的应用为例进行简单说明。探测器应用背景温度200 K，模拟目标温度215 K，选定探测器像元面积9×10⁻⁶ cm²，冷屏F数为1.4，响应波段7.5~10 μm，要求200 K背景输出信号为半阱（即输出信号电压为摆幅的一半）条件下，积分时间不大于2 ms，峰值响应率不小于1.0×10⁹ V/W，峰值探测率不小于2×10¹¹cmHz1/2W⁻¹，动态范围不小于78 dB。

初步设计探测器拟定工作温度70 K，总量子效率约为0.6，暗电流水平大约在0.5~2 nA之间。读出电路按5 V电源电压设计，摆幅为3 V。根据以往经验，长波器件通常需要较大的积分电容，此时读出电路的噪声相对较小，取经验值0.1 mV，测试系统噪声按实际情况取0.2 mV，计算需要的关键参数读出电路的积分电容是需要设计选择的参数。

通过读出电路给探测器加适当的反偏电压，探测器的噪声电压K取1。在不同的积分电容及暗电流条件下，根据要求选择200 K输出信号为半阱的积分时间对器件的主要性能参数进行理论计算，结果如表1。

表1 长波红外探测器低温背景下主要性能参数计算结果

对表 1理论计算结果进行分析，当积分电容设计值在3.0~3.5 pF之间时，不同暗电流条件下半阱积分时间都小于2 ms，且峰值响应率、峰值探测率及动态范围均满足要求。

上述例子，最终积分电容的实际设计值为3.36 pF，摆幅3.2 V，电荷处理能力约57 Me⁻。对其典型探测器进行了低温背景性能实测，测试装置示意图见图2，黑体面放置在真空腔体中，通过制冷机对其温度进行控制，其发射率略低于常温黑体。将测试系统中低温黑体系统换成常温面源黑体后进行了性能对比测试，主要测试结果见表2。

图2 焦平面探测器低温背景性能参数测试系统

表2 典型长波红外探测器主要性能参数测试结果

从表 2可以看出，低温背景下探测器的性能指标均达到项目预期要求。与常温条件相比，要达到半阱输出，低温背景下积分时间是常温条件下的约8.8倍，峰值响应率是常温的约8.4倍，近似成比例关系。尽管低温背景下噪声增加，动态范围略减小，峰值探测率仍明显高于常温，上述实测结果与理论分析及计算结果符合较好。

结论

低温背景探测是红外焦平面探测器最重要的应用之一。在设计阶段，低温背景条件下红外焦平面探测器的主要性能参数是否能满足应用需求是必须考虑的首要条件。通过单元探测器的基本理论公式，从性能测试的角度推导出了红外焦平面探测器主要性能指标的理论计算公式，提出了低温背景条件下主要性能参数计算的设计流程，改变参数进行多次组合计算可确定主要设计参数及可能达到的性能指标。通过实例，对长波红外焦平面探测器在低温背景下应用的主要性能参数进行了理论计算，得到了满足性能要求的读出电路积分电容设计范围。通过对典型探测器的测试验证，实测结果与理论计算符合得比较好，表明了理论公式和设计流程具有较好的实用性，可为红外焦平面探测器设计人员和性能测试评价工作提供理论参考。文中的公式及流程也可以扩展到其它背景条件下红外焦平面探测器性能参数的计算设计。

审核编辑：刘清