遥感红外光谱技术分析.pptx

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1、红外探测器的作用：把红外系统接收到的辐射能转换成另一种便于测量的能量形式。（多数情况下转换成电能）红外探测器是将红外辐射能转换成电能的光敏器件，是红外系统的重要组成部分。本章主要介绍各种红外探测器的概况第1页/共58页1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。使用的水银温度计-最原始红外探测器。1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应，制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器。其后，又从单个温差电偶发展成多个电偶串联的温差电堆。1880年，S.P.兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种热敏型红外探测器,称为测辐射热计。红外探测器的发展第2页/共58页

2、1947年,M.J.E.高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器（又称高莱管）。60年代中期，出现了热释电型探测器。它是一种热敏型探测器，但其工作原理与前三种热敏型红外探测器有根本的区别。40年代，用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计，使这两种探测器的性能比原来使用半金属或金属时得到很大的改进。半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。第3页/共58页1943年出现光电型红外探测器光电管，利用外光电效应制成。以 Cs-O-Ag为阴极材料，可以探测到 1.3微米。利用半导体的内光电效应制成的红外探测器，对红外技术的发展起了重要的作用。内光电效应分光电导和光生伏特效应制成光导型

3、红外探测器和光伏型红外探测器光子探测器第4页/共58页6.1 常见红外探测器按探测机理不同分类：热探测器 光子探测器一、热探测器热探测器：利用红外辐射引起探测器的温度变化，使有关物理参数发生相应变化，通过测量确定红外探测器吸收的辐射能。第5页/共58页常用的物理变化热探测器主要类型温差电现象热电偶型金属或半导体电阻变化 热敏电阻型气体压强的变化高莱气动型热释电现象热释电型第6页/共58页1.热电偶型热探测器温差电现象：如果两种不同的、热电功率差别较大的金属材料（如铋-银、铜-康铜、铋-铋锡合金等）A和B连成一个闭合回路。红外辐射照射到回路中一个节点时，该节点温度上升，而另一个节点仍保持较低温度

4、，此时在回路中将产生温差电流，会有电流流动，同时回路中产生温差电势，这种现象叫温差电现象。温差电流：其回路中的电流。温差电势：产生温差电流的电势，其大小 反映了接点吸收红外辐射的强弱 第7页/共58页热电偶型探测器是利用温差电现象制成的。特点：1.能够产生稳定的直流电流；2.大多数热电偶的电阻值极低（1-10）3.响应时间较长（时间常数较大，从ms-s）4.动态特性较差，调制频率限制在10HZ以下5.寿命长，可靠性高，无活动部件。第8页/共58页热电堆：几个热电偶串联组成热电堆例如：用铋-银、铜-康铜热电偶串联成的热电堆光敏面可作成方形，阻抗为2-50 响应时间0.1-2s。第9页/共58页2

5、.热敏电阻型探测器金属或半导体电阻变化当吸收红外辐射温度升高时金属的电阻会增加半导体电阻会减少利用电阻变化可测定吸收的红外辐射功率半导体测辐射热计（热敏电阻）金属炭和锗制成的测辐射热计致冷的测辐射热计响应时间几十毫秒第10页/共58页热敏电阻利用半导体的电阻R随温度升高而指数地减小的性质制成热敏电阻。一般采用负电阻系数很大的金属氧化物半导体材料。RT常用的是：由锰、镍、钴三种金属氧化物混 合后烧结而成，一般制成薄片。第11页/共58页浸没型热敏探测器：一般是把涂有抗反射层的纯锗的半球或超半球覆盖在热敏元件上。元件与浸没透镜平面要求光学接触。理论上：使用锗半球透镜，其响应可提高4倍热敏电阻的静态

6、伏安特性曲线第12页/共58页3.高莱气动型探测器 气体压强的变化：当吸收红外辐射引起温度升高时，气体在体积一定条件下，压强增加，从而可测定吸收的红外辐射功率。第13页/共58页4.热释电型探测器 热释电效应在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象。热释电效应被用于热释电红外探测器中，广泛地用于辐射和非接触式温度测量、红外光谱测量、激光参数测量、工业自动控制、空间技术、红外摄像中。第14页/共58页自发极化现象：有些压电晶体具有自发极化现象，即无外加电场的作用时晶体内正负电荷中心不重合，具有一定的电矩。自发极化产生的面电荷密度=自发极化强度自发极化强度随温度的升高而下降，当温度升

7、高到材料的居里温度以上时，自发极化强度下降到零。第15页/共58页当晶体吸收红外辐射时，由于温度变化而引起极化强度的改变，在垂直于自发极化强度方向的晶体外表面上产生极化电荷的改变。热释电现象：能产生热释电现象的晶体叫做热电晶体。如果在居里温度以下，通过适当制备，使极化沿着整个晶体的晶轴方向排列，此时晶体变为极化单畴，或近似单畴的晶体。第16页/共58页在外电场作用下，无规则排列的自发极化矢量趋于同一方向，形成所谓的单畴极化，当外加电场移去后，仍能保持单畴极化特性的热电介质，称为铁电体。铁电体热释电探测器是利用热电铁电体制成的，用于探测红外辐射能量或功率。（70年代）应用较广泛的是：硫酸三甘肽

8、（铁电体）铌酸锶钡第17页/共58页工作原理：平时面束缚电荷常被晶体内、外部的自由电荷所中和，但中和时间较长。（t=/，大多数 t 值在数秒数小时）自发极化产生的面电荷密度=自发极化强度晶体的自发极化的驰豫时间很短，约10-12S第18页/共58页若 f 1/t，则体内外自由电荷就来不及中和面束缚电荷，结果使晶体在垂直于极化强度PS的两端面出现开路交流电压。若调制频率为 f 的红外辐射照射在热电晶体上，则晶体的T、PS以及由此引起的面束缚电荷密度都以频率f 作周期性变化。若在晶体的两个端面上涂上电极，焊上引线，并将受光面黑化，即为热释电探测器。第19页/共58页用负载电阻把两个电极连接起来，就

9、会有电流通过负载。当恒定的红外辐射照射在热释电探测器上时，探测器没有电信号输出。只有晶体温度处于变化过程中，才有电信号输出。所以，必须对红外辐射进行调制。第20页/共58页1.比热敏电阻、热电堆的灵敏度高；2.响应速度快；（1s,一般热探测器1-0.01s）3.光谱响应宽；（从可见到亚毫米波几乎都有相同响应）4.一般热探测器工作在低频区，热释电探测 器即能工作于低频区又能工作于高频区。5.可室温工作，不需要偏压。热释电探测器的特点：第21页/共58页 热释电探测器目前成为性能最好的室温热探测器，广泛使用在各种辐射计、光谱仪、激光探测和热成像方面。目前性能主要受放大器噪声的限制。第22页/共58

10、页热探测器的特点：优点：响应波段宽、可室温工作、使用简单缺点：响应时间长、灵敏度低、一般使用在 低频场合。各类热探测器在理论上应该对一切波长的辐射都有相同的响应，但实际上对不同波长的红外线响应有时是不同的。热探测器响应的快慢，决定于探测器热容量的大小和散热快慢。第23页/共58页按工作机理分：外光电效应探测器 内光电效应探测器二、光子探测器外光电效应探测器：光电管、光电倍增管、光电探测器内光电效应探测器：光电导探测器 光生伏特探测器 光磁电探测器目前发展较快的是：内光电效应探测器第24页/共58页1.光电探测器外光电效应：在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。截至波长：逸出功

11、弛豫时间：0.18ev，截止波长7m。第35页/共58页（2）本征型光电导探测器为探测7 m以上红外辐射杂质半导体：在纯净半导体中掺入少量其它 杂质。受主杂质（P型杂质）：因杂质能级恰好靠近主体材料价带的顶部，所以从价带顶跃迁到受主能级Ep只需很小的能量Ei。第36页/共58页第37页/共58页施主杂质（n型杂质）：杂质中电子当得到外界能量，就可以挣脱杂质原子的束缚，激发到导带形成导电电子。掺杂质探测器：由于电离能很小，室温下的热激发就能使受主能级完全被填满，所以不能在室温下工作，必须制冷。第38页/共58页光电导探测器在电路中的作用相当于一个可变电阻器，它需要外加偏压电源。光电导探测器（PC

12、器件）有 光敏电阻、光敏二极管、三极管 光敏二极管、三极管使用时必须注意：第39页/共58页3.光生伏特探测器光生伏特效应：当光照射在某些材料的P-n结上时，在结区能产生一个附加的电动势，这个附加的电动势叫光生电动势，这个现象叫光生伏特效应。光生伏特探测器：利用光生伏特效应制成的探测器称为PV器件。第40页/共58页工作原理：1.Pn结的形成2.电子、空穴扩散运动形成空间电荷区3.电子、空穴在内电场作用下作漂移运动4.在入射光照射下产生光生电子空穴对5.光生电子、空穴在Pn结电场作用下，在Pn结两侧形成电荷积累，产生附加电动势光生电动势。第41页/共58页光生伏特探测器的伏安特性曲线第42页/

13、共58页光电二极管雪崩光电二极管第43页/共58页4.光磁电探测器光磁电效应：半导体的表面吸收光子后，在上表面产生的电子、空穴对要向体内扩散，在扩散过程中，因受到强磁场的作用，电子和空穴各偏向一侧，因而产生电位差，这个现象叫作光磁电效应。光磁电探测器：利用光磁电效应制成的探 测器（PEM器件）第44页/共58页5.5.光子探测器与热探测器的比较光子探测器与热探测器的比较 （1）热探测器对各种波长都有响应，光 子探测器只对它的长波限以下的一段波长区间有响应。（2）热探测器（除低温测辐射热计外）工作时不需制冷，光子探测器则多数需要制冷。（3）光子探测器的响应度一般高于热探测器，响应时间小于热探测器

14、。第45页/共58页6.2 红外探测器的性能参数一、性能参数1.电压、电流响应率R（1）辐照特性辐照特性：探测器输入辐射能量与光电 流（电压）之间的关系。例如：光敏电阻、光敏二极管、光电池第46页/共58页（2）电压、电流响应率R辐照特性常用响应率R描述光生电流器件 Ri 光生伏特器件 Rv响应率R输出电压与输入的红外辐射功率 之比。V红外探测器的输出电压P输入的红外辐射功率第47页/共58页 用电压响应率来衡量红外探测器，应用起来比较直观和方便，但是不同的探测器在进行比较时，应注意它们的测试条件。测量时，测试条件必须符合一些共同的规定，才能获得别人也能了解的R。一般规定：第48页/共58页2

15、.光谱响应（响应波长范围）光谱响应探测器的电压响应率与入射的 红外辐射波长之间的关系热探测器的电压响应率与波长无关光子探测器的电压响应率与波长有关峰值波长：电压响应率最大值所对应波长截止波长：电压响应率下降到最大响应值 得一半所对应的波长第49页/共58页光电器件的光谱特性合理选择相匹配的光源和光电器件第50页/共58页3.噪声等效功率（1）噪声电压 （2）噪声等效功率（NEP）任何探测器，不管它根据什么原理制成都有一定的噪声。即输出端总存在一些毫无规律的，事先无法预测的电压信号 投射到探测器上的红外辐射功率P产生的输出电压Vs正好等于探测器本身的噪声电压VN时，该辐射功率P叫做噪声等效功率，

16、用“NEP”表示。第51页/共58页NEP表示：它对探测器所产生的效果与噪 声相同NEP是可以测量的量，是一个理论界限。实际上，P应当是NEP 的2-6倍。VN与放大器的带宽有关，VNf第52页/共58页4.探测率D探测率是噪声等效功率的倒数。NEPADf第53页/共58页5.比探测率D*比探测率（归一化探测率、探测灵敏度）D*的规定写法：D*(辐射源、调制频率、带宽)第54页/共58页6.响应时间（时间常数）时间常数表示红外探测器的输出信号随 红外辐射变化的速率热探测器：热惯性，RC参数较大,ms 或更长光子探测器：m第55页/共58页7.其它性能参数探测器的工作温度；工作时的外加电压、电流；敏感元的面积；电阻等实际参数：对每个实际探测器直接测量的参考参数：对某类探测器折合到标准条件 时的指示值第56页/共58页二、红外探测器使用中应注意的问题1.使用时必须了解其性能指标和应用范 围，严格按其规定的条件和方法使用；2.注意工作温度（D*与工作温度的关系）（光子探测器若没按要求低温工作，D*降低、噪声大、响应波段窄、易损坏）3.适当调整探测器的工作点（最佳工作点 信噪比最大）4.选用适当的前置放大器与其相配合，以 获得最佳探测效果（阻抗匹配）5.调制频率与红外探测器的频率响应相匹 配（最佳调制频率D*最大）第57页/共58页感谢您的观看！第58页/共58页