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1、红外探测器为什么要在低温下工作,第八小组：潘兴薇 汪剑文胡智航 张 萌,红外探测技术,不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段的，该波段的红外光处在可见光波段之外。因此人们可以利用这种特定波段的红外光来实现对物体目标的探测与跟踪。将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号的技术就是红外探测技术。,红外探测技术,红外探测技术的优点,环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力 隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰 由于是目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光 与雷达系统相比，
2、红外系统的体积小，重量轻，功耗低,红外探测器,红外探测器(Infrared Detector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。,红外辐射原理,自然界中, 一切温度高于绝对零度摄氏-273.16 的物体都不断地辐射着红外线, 这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波，它是由物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射，是电磁频谱的一部分,其波段介于可见光和微波波段之间(0.761000微米)通常按波长把红外光谱分成4个波段:近红外（0.763微
3、米）、中红外（36微米）、中远红外（620微米）和远红外（201000微米）。,红外辐射原理,一切物体都有其自身的红外辐射特性。为研究各种不同物体的红外辐射，人们用理想辐射体绝对黑体（简称黑体）作基准。能吸收全部入射的辐射而没有反射的物体称为黑体。良好的吸收体必然也是良好的辐射体,因此黑体的辐射效率最高，其比辐射率定为1。任何实际物体的辐射发射量与同一温度下黑体的辐射发射量之比,称为该物体的比辐射率，其值总是小于1。物体的比辐射率，与物体的材料种类、表面特性、温度、波长等因素有关。黑体的辐射特性可用普朗克定律描述，该定律给出了黑体辐射作为温度函数的光谱分布。对某一温度，辐射量最大的波长与其温度
4、的乘积为常数，这个关系称维恩定律（适用于在温度较低，波长较短的范围内）。对所有波长积分所得到的总辐射量与温度的四次方成正比，这个关系称为斯蒂芬玻尔兹曼定律。,普朗克黑体辐射定律,普朗克黑体辐射定律图示,德国物理学家马克思普朗克,维恩位移定律,维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。,红外辐射原理,物体发出的辐射，大都要通过大气才能到达红外光学系统。由于大气中二氧化碳、水汽等气体对红外辐射会产生选择性吸收和其他微粒的散射，使红外辐射发生不同程度的衰减。人们把某些衰减较小的波段，称为大气窗口。在0.7620微米波段内有3个大气窗口:12.7微米,35微米，8
5、14微米。目前红外系统所使用的波段，大都限于上述大气窗口之中（大气窗口还与大气成份、温度和相对湿度等因素有关）。由于红外系统所探测的目标处于各自的特定背景之中，从而使探测过程复杂化。因此，在设计红外系统时，不但要考虑红外辐射在大气中的传输效应，还要采用抑制背景技术，以提高红外系统探测和识别目标的能力。,红外系统工作原理,红外系统一般由红外光学系统、红外探测器、信号放大和处理、显示记录系统等组成。其工作原理如图所示：,红外探测器工作原理,红外光学系统把目标的红外辐射集聚到红外探测器上，并以光谱和空间滤波方式抑制背景干扰。红外探测器将集聚的辐射能转换成电信号。微弱的电信号经放大和处理后，输送给控制
6、和跟踪执行机构或送往显示记录装置。红外光学系统的结构，一般可分为反射式、折射式和折反射式三种，后两种结构需采用具有良好红外光学性能的材料。,红外探测器工作原理,红外探测器前的光学调制器，将目标辐射进行调制编码，以便从背景中提取目标信号或目标的空间位置信息。前置放大器将探测器输出的微弱信号进行初级放大，并给探测器提供合适的偏置条件。它的噪声指数很低，从而使探测器的噪声有可能成为系统的极限噪声。信号处理系统把前置放大器输出的信号进一步放大和处理，从信号中提取控制装置或显示记录设备所需的信息。一般非成像系统视目标为点辐射源，相应的信号处理、显示记录系统比较简单。红外成像系统，通常需将目标红外辐射转换
7、成黑白照片和假彩色照片或电视图像。这种图像不象可见光照相机所得的图像那样直观，它反映的是目标的辐射温度分布。,红外探测器的分类,热探测器：热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。分别利用上述不同性能可制成多种热探测器 光子探测器：光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。,热探测器,优点：对全部波长的热辐射（从可见光到极远红外)基本上都有相同的响应。缺点：反应时间较长，时
8、间常数一般在毫秒级以上。,热探测器实例,液态的水银温度计及气动的高莱池（Golay cell）：利用了材料的热胀冷缩效应。 热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。 石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。,热探测器实例,测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器。 热释电探测器：有些晶体，
9、如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。,主动热红外探测器,主动红外探测器由红外发射机、红外接收机和报警控制器组成。分别置于收、发端的光学系统一般采用的是光学透镜，起到将红外光束聚焦成较细的平行光束的作用，以使红外光的能量能够集中传送。红外光在人眼看不见的光谱范围，有人经过这条无形的封锁线，必然全部或部分遮挡红外光束。接收端输出的电信号的强度会因此产生变化，从而启动报警控制器发出报警信号。,主动热红外探测器,被动热红外探测器,在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释
10、电红外传感器(PIR)，它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。,被动热红外探测器,在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动
11、时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。,被动热红外探测器,另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。,Eg：人体红外探测报警器,人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波
12、长10微米左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10微米左右的红外线而进行工作的。人体发射的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。,被动热红外探测器,光子探测器,光子探测器是基于入射光子对探测器材料内的电子作用而产生的光电子效应而工作的。光电子效应有外光电效应和内光电效应(光电导效应和光生伏特)两种。利用光电子效应工作光子探测器有光电、光电导、光生伏特、光磁电四种。,光电探测器,当光照射到某些材料的表面上时，如果入射光子
13、的能量足够大，就能够使电子逸出材料的表面，这种现象称为外光电效应。利用这种效应制成的探测器，称之为光电探测器。常用的光电探测器有光电二极管和光电倍增管。,光电导探测器（光敏电阻）,当半导体吸收入射光子后，半导体内有些电子和空穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电的自由状态，从而使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应。利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫做光电导探测器，是目前，它是种类最多应用最广的一类光子探测器。,光生伏特探测器,在物理中关于半导体的机理曾指出，在P型，N型半导体接触面处会形成一个阻挡层，或者称为P-N结，阻挡层内存在内电场E，如果光照射在结附近，由光子激发而形成光生载
14、流子(电子-空穴对)，由于内电场的作用，光生载流子的电子就会跑到N区，而空穴就跑到P区，这时在P-N结两侧就会出现附加电位差，这一现象称为“光生伏特”效应。此时若用导线将PN两端连接起来，电流就会由P型半导体经导线流至N型半导体。为了使较多的光生载流子能被结上的电压分开，就要使光照面尽可能靠近P-N结。,光生伏特探测器,光磁电探测器,在样品横向加一磁场，当半导体表面吸收光子后所产生的电子和空穴随即向体内扩散，在扩散过程中由于受横向磁场的作用，电子和空穴分别向样品两端偏移，在样品两端产生电位差。这种现象叫做光磁电效应。利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器(简称PEM器件)。这类探测器不需要
15、致冷，可响应到7微米，时间常数也小。但由于其灵敏度较前两种低，故目前应用较少。,低温与红外探测器,在红外探测领域，为了提高信号检测的灵敏度，要求有些探测器要在低温下工作，需采用致冷器。致冷器有辐射致冷器、热电致冷器和冷冻剂致冷器等。采用何种致冷器，需视系统结构、所用探测器类型和使用环境而定。,低温与红外探测器,红外探测器经低温冷却后，响应时间缩短、灵敏度提高、响应波长展宽、受限背景噪声减小。常用的红外探测器大多只需要77K温度,而且多使用开放的液氮传输式制冷器或焦耳汤姆逊节流制冷器。在远红外波段，为提高探测率和灵敏度,通常还须用液氖温区30K左右的低温恒温容器和斯特林制冷机来冷却，如锗掺汞、镉
16、汞等红外探测器材料。,COMS电子集成电路,CMOS是单词的首字母缩写，代表互补的金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，它指的是一种特殊类型的电子集成电路(IC)。集成电路是一块微小的硅片，它包含有几百万个电子元件。术语IC隐含的含义是将多个单独的集成电路集成到一个电路中，产生一个十分紧凑的器件。在通常的术语中，集成电路通常称为芯片，而红外探测器前置放大电路中存在此电路。,低温COMS电路性能分析,通过对常温下和低温下的性能研究，可以发现其有着相似的特性，但也发现低温下的一些优点尤其是验证了MOS管在低温下的阀值电压的变化导致放大器
17、工作特点的变化，从而对发放大器的各性能参数都有着重要的影响，使得放大器的特征频率下降。,红外探测器的应用,接近探测器（传感器）是一种当入侵者接近它时能触发报警的探测装置。在接近探测器中，通常有一个高频率的LC震荡电路，震荡电路的LC回路通过导线连通到外部的金属部件上。当人体靠近时，通过空间的电磁偶合，会改变LC回路的谐振频率，引起震荡频率改变，探测器的检测电路能够识别这种频率的改变而发出警示信号。接近探测器比较适用于室内，如对写字台、文件柜、保险柜等一些特殊物件提供保护，也可以用于对门窗的保护。通常被保护的物件是金属的，实际上可以构成保护电路的一部分，因而只要有人试图破坏系统时，就会立即触发报警。,
