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1、第三章,单片硅微测辐射热计阵列,辐射计电阻的Johnson噪声 辐射计电阻的变化辐射计温度的变化 入射红外辐射通量的噪声 前置放大器噪声,3.3 辐射计的噪声,1.辐射计的热噪声,热噪声是一种广泛存在的噪声。它是由电荷载流子的无规则热运动引起的。任何有电阻的材料，甚至纯金属，都有热噪声。又称为奈奎斯特（Nyquist）噪声或约翰逊（Johnson）噪声。,一个阻值为R的电阻，在处于温度为T时，在通频带f内所具有的热噪声电压为：,图3.18 一电阻的Johnson噪声等效电路，Vn,电压噪声；R,电阻；C,电容,等效电路可由一个无噪声阻抗，一个Johnson电压噪声源及其无噪声自身容抗组成。,由
2、计算可知：室温条件下，阻值为R=1K的电阻在f=1HZ带宽内其Johnson噪声电压的均方值约为4nV。工作带宽f=5000HZ的系统，放大器增益为104倍，则在放大器的输出端可约有28mV热噪声均方根电压值，由此可见在微弱信号探测中是不可忽略的。,解决方法：,让探测器工作在低温状态，其噪声将大大降低。一些响应于远红外波段的光探测器需深度致冷，液氦（4K），液氖（38K）。,2.产生-复合噪声,微辐射计阻抗材料通常显示出阻抗的波动，有一个变化 值，如果偏置电流I流经电阻器，则电阻波动将产生一个电压波动。,3.1/f 噪声,流过探测器的电流不是纯粹的直流，而是在直流上叠加着一些微小的电流起伏，微
3、小的起伏电流随时都在变化，这就形成了噪声。这种噪声功率近似与 f 成反比，所以称为 1/f 噪声。,这种噪声源代表为一种附加电压源，与Johnson噪声源无关，1Hz带宽里f为频率，其中参数k被称为1/f噪声参数。,注意：,参数是与电阻材料、沉积技术、形状以及电接触有关的。由于量子力学原因，1/f 噪声是无法消除的。由于电阻材料结构以及电触点的不完善之处，在所有真实的阻抗中测得的1/f噪声水平高于此水平很多数量级。,考虑 1/f 噪声和 Johnson 噪声 一个微辐射计的噪声等效电路是由一个无噪声电阻、两个不相关的均方根电压噪声源及电阻的无噪声自身电容C组成的,图3.19 在1Hz带宽内的频
4、率f下的电阻噪声等效电路，R,电阻；C,电容,等效电路：,对于一个微辐射计，其rms噪声在单位带宽里（f=1HZ）的表达式：低频时电子噪声的增加是由于1/f噪声的增加，在高频时则等于Johnson噪声。,在1Hz间隔里，当 1/f 噪声功率等于Johnson噪声功率时的频率。即：,拐点频率：,在带限f1至f2（f=f2 f1）中，1/f噪声功率和Johnson噪声功率结合产生一个总的噪声功率：上限噪声带限f2：下限噪声带限f1：,1/f噪声,整个噪声,图3.20 在假定参数下计算的电阻噪声；V=1v,数值化例子：,阻抗为10K的微辐射计外加偏值电压1V，K=1E-13，T=300K,4.偏置电
5、阻的噪声,偏置电路及其噪声等效电路整个辐射计的电压噪声,噪声等效电路,偏置电路,图3.21 微辐射计的偏置电流和噪声等效电路。R,微辐射计的电阻；RL,负载电阻；Vb负载电阻的偏置电压；vJ,Johnson 噪声源；v1/f,1/f噪声源,返 回,偏置电路及其噪声等效电路,由于热电作用缘故，这些噪声在频率低于 时被调制。因为一个微辐射计电路系统带宽的典型值是远远大于 的，所以在整个噪声上热电作用产生的效应可忽略。热电效应可能在低于 频率处产生较为显著的影响。,整个辐射计的电压噪声：,5.热导噪声,回顾电路,具体分析,微测辐射热计与环境间热导,无偏置时温度为T的微测辐射热计与环境间热平衡可表示为
6、：可以计算出由于g（gleg+grad）的影响，微测辐射热计,6.辐射噪声,背景噪声或光子噪声,探测器的辐射噪声,由背景辐射光子数的涨落所引起的探测器的噪声称为背景噪声或光子噪声。入射光的立体角，为探测器的表面面积 其中v是辐射频率。,背景噪声或光子噪声,由于物体的发射率与吸收率相同，表面积A的出射辐射功率下有相同的噪声，且微辐射计有两个表面，则整个的噪声功率为：在所有的波长下积分，令，常量 这里,探测器的辐射噪声,辐射噪声引起的辐射计温度波动为：,整个热导温度噪声与由辐射噪声引起的温度噪声之间的差别是由支撑臂热导gleg的能量变化引起的热噪声带来的，由支撑臂热导gleg引起辐射计温度变化为：
7、,当给一个微辐射计加上偏置时，电压变化量 起因于整个温度噪声功率 因此,返回,将温度噪声，Johnson噪声以及1/f噪声总和起来，我们可以写出在带宽 f1到f2范围内整个的噪声：,7.整个电噪声,假设热电效应对温度噪声以及1/f噪声起作用，因为他们在低频时很强，Johnson噪声可以拓宽到较高的频率，可以忽略。对系统的整个带宽积分，得到热电条件:同时可得到每单位带宽的平均电压噪声为：这个参数曾出现在D*的表达式中。加了脉冲偏置，当f2变大时（即外加短的偏置脉冲）每单位带宽的平均电压值达到了Johnson噪声值 利用此结果我们可以来计算探测率D*。,参数 值 参数 值R(Ts)20K Acel
8、l 50*50平方微米RL 20K Ff 0.75Vb 4V 0.8t 35微秒 f2 15KHzb偏置脉冲周期 33mseca f1 0.0001HzcTs 300K k 1E-13-0.02K-1 Fno 1.0c 3E-9J/K dL/dTt 8E-5Wcm-2sr-1K-1dg 1E-7W/K a:30Hz 帧速 b:1/(2*35微秒)等于70 c:Tstare=1/4f1=40min d:300K黑体温度，8到12微米,热电压噪声 0.4Johnson电压噪声 1.61/f 电压噪声 2.0整个电压噪声 2.6整个电流噪声 6.5每单位带宽平均噪声 22Johnson噪声 13低频
9、时热噪声 13,根据表中参数可计算下列4V偏置下噪声值：,当偏置小于100A，Johnson噪声是微辐射计的主要噪声。在偏置为100A以上，1/f噪声为主要噪声。,偏置（微安）,噪声,根据表中参数可以计算出加偏置时辐射计的噪声值,在带宽大约为几十KHZ的情况下，一微辐射计及负载电阻的噪声水平通常为几，或者100.红外系统是光机电的组合，有可能产生比探测器本身噪声大的噪声。测试系统前放噪声应远小于探测器噪声，这样系统测出的噪声就是探测器噪声。前方用双极性电路，不用CMOS电路，因为1/f噪声是与场效应晶体管栅极绝缘体材料有关的。,8.前置放大器噪声,3.4 微辐射计信噪比,1.噪声等效功率（NE
10、P）2.噪声等效温差(NETD)3.探测率 D 4.探测率 D*5.与理想辐射计相比较,1.噪声等效功率（NEP),定义：信号方均根电压Vs等于噪声方均根电压VN时，入射到探测器上的方均根功率P叫做NEP。表达式：,电压式：电流式：,返回,NEP的最小值：,由公式观察,理想状态下,结论,分析,返回,理想状态下对于电阻型辐射热计，温度噪声为主要噪声，如果温度噪声为唯一存在的噪声，则辐射计的噪声等效功率：,NEP的最小值,当红外成像系统输出端产生的峰值信号与均方根噪声电压之比为1时，目标与背景之间的温度差。它是表征红外成像系统受客观信噪比限制的温度分辨率的一种度量。,2.噪声等效温差(NETD),
11、NETD可以直接从NEP的关系式中计算得到：因此：,3.探测率D,引入探测率D理由,探测率D表达式,探测率D物理意义,引入探测率D理由：用NEP基本能描述探测器的性能，但是它以探测器能探测到的最小功率来表示的，NEP越小表示探测器的性能越好，这与习惯不一致。由于在辐射能量较大的范围内，红外探测器的响应率并不与辐照能量强度成线性关系，从弱辐照下测得的响应率不能外推出强辐照下应产生的信噪比。,返回,探测率D被定义为NEP的倒数。,探测率D表达式,返回,探测率D物理意义,探测率D表示辐照在探测器上的单位辐射功率所获得的信噪比。探测率D越大，表示探测器的性能越好，在对探测器的性能进行相互比较时，用探测
12、率D比用NEP更合适些。,4.归一化探测率D*,引入归一化探测率D*理由,归一化探测率D*表达式,对归一化探测率D*讨论,由前面 NEP 和D的公式可以看出：噪声等效功率NEP和探测率D与探测器的面积A和放大器的噪声等效带宽f有关，所以这两个参数还不能准确的比较出两个探测器性能的优劣。,引入归一化探测率D*理由,返回,D*实质上单位辐射功率辐照在探测器单位面积上在放大器单位带宽条件下所获得的信噪比。,归一化探测率D*表达式,返回,微辐射计性能随着外加偏置变化而变化，所以D*是有意义的品质因素。对于一个两维微辐射计阵列，通常是外加短脉冲以达到高偏置信号。将Rv和 代入到D*的表达式中，但是会产生
13、一个不理想的结果.外加短的脉冲偏置信号时，算出来的D*可能会比通常引用的室温传感器最大理论值还要大（300K时1.810-10（Hz）1/2/w）。,对归一化探测率D*讨论,分析,分析,计算理论最大值D*时，假定了噪声带宽是低于温度噪声带宽1/2的。外加短的脉冲偏置信号时，可接近Johnson噪声值。对于电阻型微辐射热计温度噪声是主要噪声，Johnson噪声比温度噪声密度要小。结论：实际算出结果D*可能会比最大理论值还要大,尽管用这种方法计算得到的D*可能超过最大理论值，用这个表达式求NEP，表明一个微辐射计的NEP永远不能比理想值 低。,数字化例子,假定电阻型微辐射热计参数如表所列，由前面的
14、公式可以推导出下图3.23(a)，3.23(b)和3.23(c)中所画的曲线。,定义品质因数为计算所得NEP（或NETD）与理想NEP(或NETD)之比。既没有Johnson又没有1/f噪声，只有温度噪声的情况下，可以得到理想NEP值为 参数表明了微辐射计性能如何接近由辐射计温度噪声设定的热动力学极限。,5.与理想辐射计相比较,根据前面NEP的表达式可得：很多辐射计阵列使用的读出技术-常压偏置（RL=0，Vb/R=I），得：,用表中参数计算值：可以看出在一个很低的35 偏置电流下仍能有效工作(T0.3)。,结论：,让人吃惊的是这个阵列在噪声带宽远高于最小值1/2的情况下还能有效地工作。能够有效
15、工作归因于这样一个事实：当使用短的偏置脉冲时，偏置电流可以做得更好。,Q=1时对应理想的NETD值为：最小可能值是辐射限制值,下图表明了一系列的理想噪声等效温差下的微辐射热计的NETD-gleg曲线（参数列于表IV中）。,NETD-gleg曲线,微辐射计的参数表IV,参数 数值 参数 数值 R 20K Ac 50*50平方微米 RL 0（常压偏置）Ff 0.75 Vb 3V 0.8 t 35微秒 f2 15KHzb 脉冲周期 33mseca f1 0.001Hzc Ts 300K k 1E-13-0.10K-1 Fno 1.0 c 3E-9J/K dL/dTt 8E-5Wcm-2sr-1K-1c g 1.5E-7W/K b 1/(2*35微秒)a 30Hz 帧速 c 300K黑体温度，8到12微米,
