中国电子科技集团公司第十一研究所，北京100015
红外探测器是红外系统的核心器件。近年来，高灵敏度、低噪声成为红外探测器技术的研究热点之一。对于噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)值小于1 mK的低噪声红外探测器，环境因素对其性能的影响不可忽视。从黑体控温精度、测试环境温度、测试环境中的气流扰动等方面，分析了测试环境对亚毫开红外探测器测试结果的影响，并对低噪声红外探测器的测试方法进行了探究。实验结果表明，黑体控温精度对高灵敏度红外探测器的NETD值有直接影响，测试环境温度与气流扰动会影响黑体控温稳定性，从而间接影响NETD测量的准确度。
红外探测器 噪声等效温差 测试环境 噪声 infrared detector noise equivalent temperature difference test environment noise
Author Affiliations
Abstract
1 University of Science and Technology of China, CAS Key Laboratory of Quantum Information, Hefei, China
2 University of Science and Technology of China, CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, Hefei, China
3 Science and Technology on Electro-Optical Information Security Control Laboratory, Tianjin, China
We present a scheme for estimating the noise-equivalent temperature difference (NETD) of frequency upconversion detectors (UCDs) that detect mid-infrared (MIR) light. In particular, we investigate the frequency upconversion of a periodically poled crystal based on lithium niobate, where an MIR conversion bandwidth of 220 nm can be achieved in a single-poled period by a special design. Experimentally, for an MIR radiating target at a temperature of 95°C, the NETD of the device was estimated to be 56 mK with an exposure time of 1 s. Meanwhile, a direct measurement of the NETD was performed utilizing conventional methods, which resulted in 48 mK. We also compared the NETD of our UCD with commercially available direct MIR detectors. We show that the limiting factor for further NETD reduction of our device is not primarily from the upconversion process and camera noise but from the limitations of the heat source and laser performance. Our detectors have good temperature measurement performance and can be used for a variety of applications involving temperature object identification and material structure detection.
mid-infrared detection frequency upconversion noise equivalent temperature difference Advanced Photonics Nexus
2023, 2(4): 046002
1 中国科学院微电子研究所新技术开发部物联网技术研发实验室, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 无锡物联网创新中心有限公司, 江苏 无锡 214028
4 中国科学院微电子研究所集成电路先导研发中心, 北京 100029
为适应非制冷红外探测器高空间分辨率的发展趋势, 非制冷红外焦平面阵列作为非制冷红外探测器的核心部件不断向大阵列、小像素方向发展。本文针对二极管型非制冷红外焦平面阵列, 理论分析了敏感元件二极管对读出电路以及器件性能的影响, 在确定二极管最佳工作电流的同时, 提炼出二极管结构中串联个数以及结面积为主要性能影响因素。基于此, 设计了 p+n-pn-n+p三合一二极管, 并将其与传统二极管、回型二极管、 p+n-n+p二合一二极管、以及由 p+n-n+p二合一二极管直接拓展得到的两种三合一二极管进行了对比考察, 研究发现 6种结构中 p+n-pn-n+p三合一二极管在相同尺寸下拥有最多的二极管串联数量且结面积相对最大; 进而利用 Sentaurus TCAD仿真, 验证了在同一整体尺寸下, p+n-pn-n+p三合一二极管的电压温度系数分别约为 p+n-n+p二合一二极管, 及在其基础上直接拓展得到的两种三合一二极管的 1.5倍, 为回型二极管与传统二极管的 2.6倍、3.7倍。证明了在小像素下 p+n-pn-n+p三合一二极管性能最优, 且在其基础上拓展可得到 N合一二极管能进一步优化器件的性能。
二极管非制冷红外探测器 噪声等效温差 电压温度系数 三合一二极管 diode uncooled infrared detector noise equivalent temperature difference temperature coefficient of voltage 3-in-1 diode
1 苏州大学光电科学与工程学院教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
2 苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
尺寸小、成本低和寿命长的非制冷热红外成像光谱仪对探测高温目标有巨大潜力，但其严重的内部噪声会降低检测灵敏度。非制冷热红外成像光谱仪主要的噪声包括探测器噪声、光机元件表面散射杂光引起的噪声、光栅非工作级次产生的杂光噪声和光机元件自身的背景辐射噪声。推导了包含上述噪声的噪声等效温差（NETD）公式，以Offner型热红外成像光谱仪为例，分析NETD与系统F数和机械元件内表面光学属性等主要影响因素之间的关系，研究了光机表面抛亮处理在抑制光谱仪内部背景辐射噪声方面的能力。最后，采用像元间线性关系法扣除了剩余的噪声，使探测信号与目标本身信号基本一致。
仪器 非制冷红外成像光谱仪 内部热辐射 杂散辐射抑制 噪声等效温差 表面抛亮 光学学报
2022, 42(15): 1512006
1 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471000
2 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳471000
3 空军石家庄飞行学院, 石家庄050081
4 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南洛阳471000
基于某制冷型红外焦平面探测器, 介绍了一种高信噪比的模拟信号采集电路。使用了噪声分析法对电路噪声来源进行分析, 建立了低噪声的信号变换路径; 采用信噪比(SNR)和噪声等效温差(NETD)测试相结合的方法, 对电路和成像组件指标进行评价; 测试结果表明, 组件SNR可达76 dB, NETD可达17. 5 mK(环境温度300 K), 信号采集过程中噪声引入量少, 组件能够实现对远距离微弱小目标的探测。
微弱目标探测 模拟信号采集 高信噪比 dim target detection analogue signal acquisition high SAN NETD Noise Equivalent Temperature Difference(NETD)
对于温度灵敏度优于10 mK的长波红外相机, 如何精确测量表征其灵敏度的指标-噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD), 是一项重要的工作。首先, 依照尽量缩短标准辐射传递链路减少误差项的原则, 对比不同的测量方法, 选取“黑体直接测量法”; 其次, 基于相机噪声理论模型, 对不同温度点下的实测噪声分析, 提出噪声修正方法对噪声进行修正, 以此减小环境影响带来的测量误差; 最后, 基于NETD测量计算公式及不确定度分析理论对测试结果的不确定度进行分析评定。结果表明: 针对甚高灵敏度长波红外相机所采用的测试设备及方法, 可满足测试要求, 测试结果相对不确定度在7.7%左右。
噪声等效温差 测试技术 长波红外相机 不确定度 noise equivalent temperature difference testing technique long-wave infrared camera uncertainty 红外与激光工程
2018, 47(5): 0504001
1 海军装备部 航空装备局,北京 100841
2 西安应用光学研究所,陕西 西安 710065
针对红外系统设计中工作波段选择问题,从探测器性能、光学弥散斑、大气传输特性、目标与背景辐射特性、海杂波干扰等多个方面对中波和长波红外进行了对比分析；制定了详细的中波和长波红外热像仪昼夜探测效果摸底试验方案,得出在不同时间、不同气象条件下2种探测器对相同目标的探测试验数据。结合试验数据与理论分析,提出红外系统在用于对岸远程昼夜探测情况下波段选择的建议。
长波红外 中波红外 噪声等效温差 辐射对比度 艾里斑 long-wave infrared mid-wave infrared noise equivalent temperature difference (NETD) radiation contrast Airy disk
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院，陕西西安 710071
2 西北核技术研究所，陕西西安 710024
3 西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心，陕西西安 710071
由于红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)已成为红外探测器发展的主流，用IRFPA的参数来评价红外探测系统的综合性能变得至关重要。推导了以噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference, NETD)参数表示的红外探测系统的作用距离方程，考虑了背景辐射和目标成像弥散效应对探测的影响，计算了不同能见度条件下系统对点源目标的作用距离。结果表明，大气能见度越好，红外探测系统的作用距离就越远。分析了红外探测系统的探测能力随NETD值的变化。随着NETD值的增大，红外探测系统对目标的作用距离显著减小。研究结果能为红外探测系统的设计和性能指标评价提供参考。
红外探测系统 作用距离 NETD noise equivalent temperature difference infrared detection system operating range
中国空间技术研究院北京空间机电研究所, 北京 100076
为实现更高灵敏度红外探测能力，分析了电荷处理能力与探测灵敏度之间的关系，提出了像素级数字积分探测技术。通过对红外成像链路中各噪声源的分析，建立了基于像素级数字积分探测技术的红外系统信噪比模型，并结合应用实例完成了系统关键指标参数的设计和噪声等效温差模型的仿真。仿真结果表明，像素级数字积分探测技术能够突破传统探测技术电荷处理量只有几十或几百兆电子的约束，实现千兆电子量级电荷处理能力和毫开级高灵敏度的红外系统性能。
成像系统 红外成像 探测灵敏度 像素级数字积分 电荷处理量 噪声等效温差 激光与光电子学进展
2016, 53(9): 091102
