對于在低溫背景條件下應用的紅外焦平面探測器，在其設計階段首先需要確認的是探測器在低溫背景下的主要性能參數是否滿足應用需求。通過單元探測器的基本理論公式，從性能測試的角度，推導出了焦平面探測器主要性能指標的理論計算公式，包括峰值響應率、噪聲、峰值探測率、動態范圍等。

據麥姆斯咨詢報道，近期，昆明物理研究所和空軍裝備部的聯合科研團隊在《紅外技術》期刊上發表了以“低溫背景應用長波紅外焦平面探測器性能參數的計算”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為昆明物理研究所毛京湘正高級工程師，主要從事紅外焦平面探測器性能參數的測試評價技術方面的研究工作。

本文通過基本的理論公式，對光伏型紅外焦平面探測器響應信號電壓和噪聲進行了分析和推導，并以此為基礎，從性能測試角度，對焦平面探測器的主要性能參數進行了理論計算，提出了項目應用條件下性能參數計算的設計流程。通過實例，對長波紅外焦平面探測器在低溫背景下性能參數的計算進行了設計及驗證。

理論計算（省略部分，詳見論文）

這部分詳細推導了背景溫度下輸出信號電壓、響應信號電壓、噪聲（總噪聲、背景輻射噪聲、探測器噪聲、讀出電路噪聲、測試系統噪聲）、峰值響應率、峰值探測率和動態范圍理論分析及計算。

紅外焦平面探測器主要性能參數計算的設計流程

一般情況下，紅外焦平面探測器主要性能參數計算的設計流程見圖 1。首先根據應用條件確定背景和目標的模擬溫度（或光子輻照度），選擇擬使用探測器的響應波段、像元面積、合適的F數（確定視場角大小）；根據探測器制造工作水平確定探測器的總量子效率、暗電流水平、零偏阻抗及預計工作溫度和偏置電壓；再根據讀出電路設計的電壓擺幅、積分電容及應用所限定的積分時間等，根據第1章中的理論公式對性能指標進行計算，確定是否符合應用或項目要求，如果不符合，選擇可更改的設計參數（如積分電容、電壓擺幅等）、工藝可改進的參數（如工作溫度、暗電流大小、量子效率等）進行多次組合計算，分析其合理性并確定可滿足應用要求參數。

圖1 探測器主要參數計算的設計流程

低溫背景條件下長波紅外焦平面探測器性能參數計算的設計及驗證實例

以長波紅外焦平面探測器在低溫背景下的應用為例進行簡單說明。探測器應用背景溫度200 K，模擬目標溫度215 K，選定探測器像元面積9×10?? cm2，冷屏F數為1.4，響應波段7.5~10 μm，要求200 K背景輸出信號為半阱（即輸出信號電壓為擺幅的一半）條件下，積分時間不大于2 ms，峰值響應率不小于1.0×10? V/W，峰值探測率不小于2×1011cmHz1/2W?1，動態范圍不小于78 dB。

初步設計探測器擬定工作溫度70 K，總量子效率約為0.6，暗電流水平大約在0.5~2 nA之間。讀出電路按5 V電源電壓設計，擺幅為3 V。根據以往經驗，長波器件通常需要較大的積分電容，此時讀出電路的噪聲相對較小，取經驗值0.1 mV，測試系統噪聲按實際情況取0.2 mV，計算需要的關鍵參數讀出電路的積分電容是需要設計選擇的參數。

通過讀出電路給探測器加適當的反偏電壓，探測器的噪聲電壓K取1。在不同的積分電容及暗電流條件下，根據要求選擇200 K輸出信號為半阱的積分時間對器件的主要性能參數進行理論計算，結果如表1。

表1 長波紅外探測器低溫背景下主要性能參數計算結果

對表 1理論計算結果進行分析，當積分電容設計值在3.0~3.5 pF之間時，不同暗電流條件下半阱積分時間都小于2 ms，且峰值響應率、峰值探測率及動態范圍均滿足要求。

上述例子，最終積分電容的實際設計值為3.36 pF，擺幅3.2 V，電荷處理能力約57 Me?。對其典型探測器進行了低溫背景性能實測，測試裝置示意圖見圖2，黑體面放置在真空腔體中，通過制冷機對其溫度進行控制，其發射率略低于常溫黑體。將測試系統中低溫黑體系統換成常溫面源黑體后進行了性能對比測試，主要測試結果見表2。

圖2 焦平面探測器低溫背景性能參數測試系統

表2 典型長波紅外探測器主要性能參數測試結果

從表 2可以看出，低溫背景下探測器的性能指標均達到項目預期要求。與常溫條件相比，要達到半阱輸出，低溫背景下積分時間是常溫條件下的約8.8倍，峰值響應率是常溫的約8.4倍，近似成比例關系。盡管低溫背景下噪聲增加，動態范圍略減小，峰值探測率仍明顯高于常溫，上述實測結果與理論分析及計算結果符合較好。

結論

低溫背景探測是紅外焦平面探測器最重要的應用之一。在設計階段，低溫背景條件下紅外焦平面探測器的主要性能參數是否能滿足應用需求是必須考慮的首要條件。通過單元探測器的基本理論公式，從性能測試的角度推導出了紅外焦平面探測器主要性能指標的理論計算公式，提出了低溫背景條件下主要性能參數計算的設計流程，改變參數進行多次組合計算可確定主要設計參數及可能達到的性能指標。通過實例，對長波紅外焦平面探測器在低溫背景下應用的主要性能參數進行了理論計算，得到了滿足性能要求的讀出電路積分電容設計范圍。通過對典型探測器的測試驗證，實測結果與理論計算符合得比較好，表明了理論公式和設計流程具有較好的實用性，可為紅外焦平面探測器設計人員和性能測試評價工作提供理論參考。文中的公式及流程也可以擴展到其它背景條件下紅外焦平面探測器性能參數的計算設計。

審核編輯：劉清