雷神公司的非制冷红外焦平面阵列的特性参数分析.pdf

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1、第26卷第3期红外技术Vol.26No.32004年5月InfraredTechnologyMay2004*雷神公司的非制冷红外焦平面阵列的特性参数分析黄宗升，秦石乔，王省书（国防科技大学理学院，长沙，410073）摘要：建立模型并分析其特性参数对非制冷红外焦平面的研制有积极的指导意义。对测辐射热计的噪声、等效噪声功率、探测率、等效噪声温差等特性参数和脉冲偏置下像元的温升进行了分析，并对Raytheon公司的非制冷红外焦平面模型进行了仿真。关键词：非制冷；红外焦平面；特性参数；仿真中图分类号：TN219文献标识码：A文章编号：1001-8891(2004)03-0015

2、-04引言质量轻、体积小、成本低的非制冷测辐射热计红外焦平面的研制成功使热像仪得到了前所未有的广泛应用。研制最广泛、最富成效的非制冷测辐射热计红外焦平面分为两类，一类是铁电型的，另一类是热电阻型的。图1给出了桥式结构的测辐射热计单元。热电阻型非制冷测辐射热计的主要工作原理是：探测器吸收红外辐射温度升高，引起电阻的变化，读出电路通过电阻的变化读出电压的变化，从而把红外辐射信号图1测辐射热计单元结构转换为电信号。Fig.1CellStructureofMicrobolometer国外的非制冷红外焦平面阵列技术已经很成熟，但是国内至今还没有研制成功。20世纪90年代初美表1H

3、oneywell公司研制的非制冷红外焦平面阵列性能指标国Honeywell公司首先研制出了非制冷红外测辐射热Table1.PerformanceCharacteristicsofHoneywell计焦平面，其主要性能指标如表1所示。Microbolometers1993年，Raytheon公司从Honeywell公司得到了阵列规模336×240热时间常数20ms非制冷红外焦平面阵列技术的转让许可后，从1995响应波段8～14ìm填充系数50％年开始制造非制冷红外焦平面阵列，其典型参数以像元尺寸50ìm×50ìm电阻温度系数0.02/KSBRC-151型为例如表2所示。热

4、导10-7W/K等效噪声温差＜0.04K文章下面结合SBRC-151型非制冷红外焦平面阵列对相关的一些性能参数进行计算分析。表2SBRC-151型非制冷红外焦平面阵列性能指标Table2.PerformanceCharacteristicsofSBRC-1511微测辐射热计的理论模型Microbolometers1.1目标温差和信号输出的关系阵列规格320×240光学填充系数40%由目标辐射到像元的红外辐射功率为Q0：响应波段8～14ìm光吸收率＞80%LApQ=×t（1）像元尺寸50ìm×50ìm电阻温度系数＞2.2%/K0204Fno-8热导＜5×10W/K电阻50

5、kW式中：Fno为光学系统的F数，其值等于光学系统的热时间常数＜20ms电阻不均匀性＜10p-p焦距除以其入口孔径；t0为光学系统的透过率；A为7信号响应率2.5×10V/W动态范围＞40K微测辐射热计探测器单元的面积；L为目标物体的辐等效噪声温差（f/1,60Hz）光学系统透过率＞95％射强度，由Plank定律给出：＜20mK*收稿日期：2004-12-3115第26卷第3期Vol.26No.32004年5月黄宗升等：雷神公司的非制冷红外焦平面阵列的特性参数分析May20042l2dl1L=2hcel5（2）ækT2ö2ò1l[exp(hc/kTtl)-1]V=aIR

6、ç÷（13）TFbç÷C式中：h是Plank常数，c是真空中的光速，l是波长，ètøε是目标物体的辐射率，k是玻尔兹曼常数，Tt是目1V=(4kTRDf)2（14）J标温度，l2和l1分别表示红外辐射段的上下限波长。更一般地，假设辐射受到圆频率为ω的调制，则V∝IR（15）1/ff投射到像元的辐射功率为：Q(w,t)=Q0×exp(jwt)（3）式中：k为波尔兹曼常数，Df为带宽，f为频率。像元实际吸收的辐射功率为：1.3等效噪声功率NEPDQ(w,t)=Q0×exp(jwt)×h×Ff（4）等效噪声功率为：式中：h是辐射吸收率，Ff是填充系数。NEP=VN/Rv（16

7、）*由热力学方程：1.4探测率D*dDT(w,t)按D的定义有：C×+GDT(w,t)=Q×exp(jwt)×h×F（5）t0fdt*D=ANEP（17）式中：Ct为像元的热容，G为像元的热导，DT为像元的温度变化量。1.5等效噪声温差NETD方程（5）的解为：NEP和NETD的关系式为：Q×h×F0fDT(w,t)=×exp(jwt)（6）dQdQG(1+jwt)0NEP=×NETD=×NETD（18）dTdTtt式中：τ为热时间常数，定义为像元热容和热导之比：C式（1）代入式（18）整理得：tt=（7）GApdLNEP=×t××NET