基于InGaAs探測器的制冷試驗分析

姜宇鵬　劉棟斌　李哲

摘 要： 為解決紅外圖像高質量要求與緊張的衛星有效載荷資源間矛盾，針對Xenics公司的InGaAs短波紅外探測器XLIN?1.7?2048開展電制冷試驗以確定其工作模式。對比暗背景與不同光輻照情況下，探測器開啟半導體熱電制冷與不制冷時的像元均值、噪聲與靈敏度，綜合考慮系統要求、功耗、輻冷板面積、重量及可靠性等因素，最終確定常溫工作狀態下的工作模式。

關鍵詞： 短波紅外探測器； 熱電制冷； InGaAs探測器； 衛星有效載荷

中圖分類號： TN215?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）12?0160?03

Abstract： A thermoelectric cooling experiment of InGaAs SWIR detector （XLIN?1.7?2048） produced by Xenics was worked out to eliminate conflicts between requirement of high quality infrared image and the scarce resources of satellite payload， and to determine the operation mode. Under the conditions of dark field and different levels of light intensity， parameters of pixel mean， noise and sensitivity are contrast when the thermoelectric cooler is in on or off status. In consideration of the comprehensive facts， such as power consumption， radiation panel area， weight and reliability， the operation mode of the detector working in normal temperature status was determined.

Keywords： shortwave infrared detector； thermoelectric cooling； InGaAs detector； satellite payload

0 引 言

隨著工業化進程不斷加速，二氧化碳（CO2）等溫室氣體對環境的影響逐漸引起人類的重視。研制高光譜和高空間分辨率的二氧化碳探測儀，能夠監測全球溫室氣體分布及含量，對人類及國家戰略具有深遠意義[1?2]。

云干擾對大氣探測具有一定的擾動，隨機搭載的云與氣溶膠探測儀可以通過對氣溶膠的探測去除信號中的氣溶膠散射信號，提高溫室氣體探測的反演精度。

InGaAs是一種直接帶隙半導體合金材料，具有較高的電子遷移率、量子效率和良好的抗輻照特性，能夠在室溫或制冷條件下正常工作[3]，所以被廣泛應用于空間遙感成像系統。Xenics公司的短波紅外探測器XLIN?1.7?2048能夠在室溫或電制冷條件下探測氣體譜段信息，因受制于衛星有效載荷的緊張資源，有必要進行開展一系列制冷試驗，通過對數據的分析以確定短波紅外探測器的工作模式。

1 紅外成系統

短波紅外探測器XLIN?1.7?2048是基于InGaAs的雙列讀出線陣紅外探測器，工作譜段范圍為0.9～1.7 μm，像元尺寸12.5 μm×12.5 μm，為滿足更高的應用需求，短波紅外探測器內部集成了半導體電制冷器，在制冷工作模式下可提高像元的探測靈敏度，在弱光、長積分時間條件下對與暗電流噪聲的影響更為顯著。

電源連接兩塊不同的金屬，接通直流電后一個接觸點溫度降低，另一個接觸點溫度升高；若電源反接，則接觸點處溫度相反變化，這一現象稱為帕爾帖效應[4]，其冷端的產生是由于接觸點產生電子?空穴對，內能減小，溫度降低，而熱端電子?空穴對復合，溫度升高向外散發量[5]。探測器內部的TE1半導體制冷器分為上下兩個24 mm×6 mm的陶瓷基面，最大的通電電流為1.8 A，最大壓降為7.4 V，最大溫度變化范圍為[6]-40～100 ℃，見圖1。

XLIN內部集成了Vishay負溫度系數熱敏電阻（Negative Temperature Coefficient，NTC），在溫度較低時載流子（電子和空穴）較少，呈現的阻值較高，隨著溫度的升高，載流子數目增加，導致阻值變小[7]，因此阻值的變化能夠實時反應探測器內部溫度。25 ℃時，NTC熱敏電阻R25為4.7 kΩ，且溫度的變化與阻值變化呈現非線性關系，對應關系如圖2所示。

系統加電制冷及實時監測部分原理框圖如圖3所示。半導體制冷器TEC冷端面與探測器2048像元線陣列接觸，熱敏電阻NTC外接直流電壓用以產生直流信號電平，探測器內部溫度的改變導致自身壓降變化，通過放大器后經行A/D采樣，FPGA將接收到的數字信息發送至地檢設備，即可實時監測由制冷或外接溫度變化引起的探測器內部溫度變化值。

2 制冷試驗條件與方法

試驗主要圍繞不同溫度下，短波紅外探測器的暗背景、輻射響應靈敏度指標開展，綜合考慮開啟制冷與不制冷兩種工作模式時，整星系統的功耗、散熱、可靠性、體積與重量等多方面因素，最終確定紅外探測器在軌工作模式。

短波紅外探測器制冷試驗由積分球光源、輻亮度計、控制設備、紅外成像系統及地檢設備構成，示意圖如圖4所示。紅外探測器置于距積分球0.5 m處，積分球控制系統通過輻亮度計反饋控制積分球光源，地檢設備接收紅外圖像及探測器內部溫度，紅外探測器內部半導體制冷器外接電源，通過調節電壓實現多種不同的工作模式。地檢設備選取探測器中的1 600個像元成像，為了提高信噪比采用4像元合并的方式顯示。

3 試驗結果與分析

3.1 暗場響應

短波紅外探測器的基本構成單元就是P?N結光電二極管，波長比截止波長短的紅外輻射被光二極管吸收后產生了電子?空穴對。正常加電工作時，PN結施加反偏電壓，所以即使在沒有光照的情況下依舊會有反向電流產生[8?9]，暗電流為：

[Idark=Is[expqVkT-1]] （1）

式中：Is為反向電流；V是外加電壓，因此對于探測器，暗電流的高低取決于工作溫度。本系統12位量化精度輸出碼值為0～4 096，暗電平信號越高，則正常工作條件的動態探測范圍越小，暗噪聲也會越明顯[10]。

試驗選取1.5 V，2.5 V，3.3 V作為制冷電壓值，在溫度15 ℃、相對濕度40%～60%的暗室狀態下，測試結果如表1所示。

圖5中從不制冷到1.5 V制冷電壓過程中，像元均值DN降幅最大；然而系統關鍵指標像元噪聲STDEV隨著制冷電壓的增加卻始終位于0.7左右波動，并未有較大的增加；單片探測器制冷功耗從0 W上升至3.3 V的1.9 W，整個系統四片紅外探測器加上電源板二次供電損耗，功耗增加量最大可達到10 W，散熱面輻冷板亦增加為不制冷工況下的兩倍。

3.2 輻射靈敏度響應

紅外探測器輻射靈敏度計算公式為：

式中：DN為像元均值，L是積分球光輻亮度；B為響應偏置；K即為探測器響應靈敏度。

試驗中調整制冷電壓，根據在軌工作條件及熱控要求，選取短波紅外探測器溫度為30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃及10 ℃時，記錄三種亮度等級的工況，計算探測器輻射響應靈敏度如圖6所示。

全視場像元中上下尖峰為盲元，在某一溫度、相同光輻射輸入條件下，探測器所有像元靈敏度響應有所差異，隨著像元編號的增加探測器靈敏度響應逐漸升高；探測器制冷電壓的不同，模擬探測器10～30 ℃的工作溫度，像元在相同輻照度輸入的靈敏度響應也不相同，但波動不大于0.05 DN/（W/m2/sr/nm）。

4 結 論

為確定短波紅外探測器XLIN工作模式，設計了暗場及光輻射條件下的制冷試驗。在不制冷情況下，紅外探測器暗場響應DN值為150，較最大3.3 V制冷工況均值高42，探測動態范圍減小1%，但噪聲未見變化，且在光輻射輸入情況下，制冷工況與不制冷工況的靈敏度相差小于0.05 DN/（W/m2/sr/nm），能夠滿足系統設計要求。對于最高3.3 V制冷電壓，單機制冷功耗增加10 W，輻冷板面積增加兩倍，質量和體積相應增加，系統可靠性降低，所以綜合考慮，短波紅外探測器XLIN?1.7?2048在軌工作時無需電制冷能夠滿足系統要求。

參考文獻

[1] 王龍，藺超，鄭玉權.CO2探測儀星上定標鋁漫反射板的制備與試驗[J].中國光學，2013（4）：591?599.

[2] 陳程.CO2探測儀前置系統光機結構設計及分析[D].長春：中國科學院研究生院，2011.

[3] 張衛峰，張若嵐，趙魯生，等.InGaAs短波紅外探測器研究進展[J].紅外技術，2012，34（6）：361?365.

[4] 鄭興，蔣亞東，羅鳳武，等.基于ADN8830的非制冷紅外焦平面溫度控制電路設計[J].現代電子技術，2009，32（24）：154?156.

[5] 張偉斌，付安英，郭鐵，等.半導體制冷技術在臨床醫療的應用研究[J].電子設計工程，2011，19（22）：51?53.

[6] Xenics. XLIN?1.7?2048 datasheet [R]. Korea： Xenics， 2010.

[7] 關奉偉，劉巨，于善猛，等.NTC熱敏電阻的標定及阻溫特性研究[J].光機電信息，2011，28（7）：69?73.

[8] 張明濤，謝仁飆，朱磊，等.320×256短波紅外焦平面溫控系統設計與應用[J].紅外與毫米波學報，2009，28（3）：173?180.

[9] 呂衍秋，徐運華，韓冰，等.128×1線列InGaAs短波紅外焦平面的研究[J].紅外與毫米波學報，2006，25（5）：333?337.

[10] 鐘軼，王淦泉.空間遙感用InGaAs探測器低噪聲電路系統設計[J].激光與紅外，2009，39（5）：514?517.

3 試驗結果與分析

3.1 暗場響應

短波紅外探測器的基本構成單元就是P?N結光電二極管，波長比截止波長短的紅外輻射被光二極管吸收后產生了電子?空穴對。正常加電工作時，PN結施加反偏電壓，所以即使在沒有光照的情況下依舊會有反向電流產生[8?9]，暗電流為：

[Idark=Is[expqVkT-1]] （1）

式中：Is為反向電流；V是外加電壓，因此對于探測器，暗電流的高低取決于工作溫度。本系統12位量化精度輸出碼值為0～4 096，暗電平信號越高，則正常工作條件的動態探測范圍越小，暗噪聲也會越明顯[10]。

試驗選取1.5 V，2.5 V，3.3 V作為制冷電壓值，在溫度15 ℃、相對濕度40%～60%的暗室狀態下，測試結果如表1所示。

圖5中從不制冷到1.5 V制冷電壓過程中，像元均值DN降幅最大；然而系統關鍵指標像元噪聲STDEV隨著制冷電壓的增加卻始終位于0.7左右波動，并未有較大的增加；單片探測器制冷功耗從0 W上升至3.3 V的1.9 W，整個系統四片紅外探測器加上電源板二次供電損耗，功耗增加量最大可達到10 W，散熱面輻冷板亦增加為不制冷工況下的兩倍。

3.2 輻射靈敏度響應

紅外探測器輻射靈敏度計算公式為：

式中：DN為像元均值，L是積分球光輻亮度；B為響應偏置；K即為探測器響應靈敏度。

試驗中調整制冷電壓，根據在軌工作條件及熱控要求，選取短波紅外探測器溫度為30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃及10 ℃時，記錄三種亮度等級的工況，計算探測器輻射響應靈敏度如圖6所示。

全視場像元中上下尖峰為盲元，在某一溫度、相同光輻射輸入條件下，探測器所有像元靈敏度響應有所差異，隨著像元編號的增加探測器靈敏度響應逐漸升高；探測器制冷電壓的不同，模擬探測器10～30 ℃的工作溫度，像元在相同輻照度輸入的靈敏度響應也不相同，但波動不大于0.05 DN/（W/m2/sr/nm）。

4 結 論

為確定短波紅外探測器XLIN工作模式，設計了暗場及光輻射條件下的制冷試驗。在不制冷情況下，紅外探測器暗場響應DN值為150，較最大3.3 V制冷工況均值高42，探測動態范圍減小1%，但噪聲未見變化，且在光輻射輸入情況下，制冷工況與不制冷工況的靈敏度相差小于0.05 DN/（W/m2/sr/nm），能夠滿足系統設計要求。對于最高3.3 V制冷電壓，單機制冷功耗增加10 W，輻冷板面積增加兩倍，質量和體積相應增加，系統可靠性降低，所以綜合考慮，短波紅外探測器XLIN?1.7?2048在軌工作時無需電制冷能夠滿足系統要求。

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[10] 鐘軼，王淦泉.空間遙感用InGaAs探測器低噪聲電路系統設計[J].激光與紅外，2009，39（5）：514?517.

3 試驗結果與分析

3.1 暗場響應

短波紅外探測器的基本構成單元就是P?N結光電二極管，波長比截止波長短的紅外輻射被光二極管吸收后產生了電子?空穴對。正常加電工作時，PN結施加反偏電壓，所以即使在沒有光照的情況下依舊會有反向電流產生[8?9]，暗電流為：

[Idark=Is[expqVkT-1]] （1）

式中：Is為反向電流；V是外加電壓，因此對于探測器，暗電流的高低取決于工作溫度。本系統12位量化精度輸出碼值為0～4 096，暗電平信號越高，則正常工作條件的動態探測范圍越小，暗噪聲也會越明顯[10]。

試驗選取1.5 V，2.5 V，3.3 V作為制冷電壓值，在溫度15 ℃、相對濕度40%～60%的暗室狀態下，測試結果如表1所示。

圖5中從不制冷到1.5 V制冷電壓過程中，像元均值DN降幅最大；然而系統關鍵指標像元噪聲STDEV隨著制冷電壓的增加卻始終位于0.7左右波動，并未有較大的增加；單片探測器制冷功耗從0 W上升至3.3 V的1.9 W，整個系統四片紅外探測器加上電源板二次供電損耗，功耗增加量最大可達到10 W，散熱面輻冷板亦增加為不制冷工況下的兩倍。

3.2 輻射靈敏度響應

紅外探測器輻射靈敏度計算公式為：

式中：DN為像元均值，L是積分球光輻亮度；B為響應偏置；K即為探測器響應靈敏度。

試驗中調整制冷電壓，根據在軌工作條件及熱控要求，選取短波紅外探測器溫度為30 ℃，25 ℃，20 ℃，15 ℃及10 ℃時，記錄三種亮度等級的工況，計算探測器輻射響應靈敏度如圖6所示。

全視場像元中上下尖峰為盲元，在某一溫度、相同光輻射輸入條件下，探測器所有像元靈敏度響應有所差異，隨著像元編號的增加探測器靈敏度響應逐漸升高；探測器制冷電壓的不同，模擬探測器10～30 ℃的工作溫度，像元在相同輻照度輸入的靈敏度響應也不相同，但波動不大于0.05 DN/（W/m2/sr/nm）。

4 結 論

為確定短波紅外探測器XLIN工作模式，設計了暗場及光輻射條件下的制冷試驗。在不制冷情況下，紅外探測器暗場響應DN值為150，較最大3.3 V制冷工況均值高42，探測動態范圍減小1%，但噪聲未見變化，且在光輻射輸入情況下，制冷工況與不制冷工況的靈敏度相差小于0.05 DN/（W/m2/sr/nm），能夠滿足系統設計要求。對于最高3.3 V制冷電壓，單機制冷功耗增加10 W，輻冷板面積增加兩倍，質量和體積相應增加，系統可靠性降低，所以綜合考慮，短波紅外探測器XLIN?1.7?2048在軌工作時無需電制冷能夠滿足系統要求。

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[10] 鐘軼，王淦泉.空間遙感用InGaAs探測器低噪聲電路系統設計[J].激光與紅外，2009，39（5）：514?517.