摘要：在微测辐射热计热敏元的热平衡模型基础上，分析了 CTIA 读出方式的微测辐射热计在不同背景和衬底温度下的输出响应率，仿真了探测器面阵在偏移-增益两点校正法校正后的输出。为衡量不同衬底温度下校正后残余非均匀性噪声的大小，考虑到响应率随背景温度和衬底温度变化的因素，提出了非均匀性噪声等效功率(NNEP) 指标。研究结果表明，在采用 20μs 积分时间和5pF 积分电容时，探测元响应率可以达到106V/W 到 107V/W;衬底温度的变化在约 0.01K 以内时，采用两点校正法可以对该读出方式的微测辐射热计输出进行良好的校正。
引 言
红外探测器是红外成像设备的关键部件。目前红外探测器的发展主要有两种：一种是用于高性能国防军事装备的致冷型红外探测器，这种红外探测器性能好，但价格昂贵;另一种是非致冷型或者说室温红外探测器，它尺寸小、重量轻、成本低，引起研究人员的极大关注，美、英、法、加拿大、澳大利亚等国都在该方面展开了富有成效的研究。虽然目前非致冷型红外探测器的性能总体上不如致冷型红外探测器，但是某些高端的非致冷型红外探测器的性能已经可以和致冷型红外探测器相匹敌[1]。作为非致冷型红外探测器中的一员，非致冷型微测辐射热计具有不需要致冷装置、成本低、响应波段宽等优点。微测辐射热计发展中遇到的关键问题之一是其输出信号的非均匀性相当大，要求与其接口的电路具有大的动态范围。非均匀性也称为空间噪声，探测器制作工艺和材料、读出电路和红外光学系统等各个环节都会引入非均匀性。通常，对输出信号采用两点校正法，即增益和偏移校正法，可以将空间非均匀性噪声减小至低于瞬态噪声，以提高红外成像质量。
1 微测辐射热计探测器单元的热平衡方程
假设探测元封装在真空管壳中，不考虑热量在微测辐射热计阵列中的探测元之间的横向流逸，施加脉冲电压源V，可以建立探测器热敏元的热平衡方程
式中W 是入射到探测元上的红外辐照功率，η 是探测元对目标红外辐射的吸收率，Ts是衬底温度，V 是施加在探测元上的脉冲电压，R 是探测元的电阻，Td是探测元的温度，C 是探测元的热容，G 是探测元的热导，热导包含了探测元通过桥腿和衬底的热传导以及探测元向周围环境的热辐射。
2 微测辐射热计CTIA 读出方式
微测辐射热计的读出方式有恒电流方式、恒电压方式、CTIA[2,3]读出方式等。CTIA 读出方式可以获得较大的响应率，并且电路设计上更为灵活，图1 所示是一种单元微测辐射热计CTIA 读出方式的电路。在脉冲电压 Vpulse的作用下，探测元电阻 Rdet上产生的电流通过直接注入方式到达 A 点，在与补偿元电阻 Rdum的电流差分后，得到的差分电流在积分电容 Cint上进行积分，FR 是复位开关。补偿电阻Rdum是屏蔽了红外入射光的探测元。
如果不考虑沟道调制效应，并忽略焦耳热及 R 的二次项，可以计算出该读出结构探测单元的响应率为
其中
(2)式和(3)式中，I0是流过探测元的稳态电流，tint和Cint分别是积分时间和积分电容，ω是入射光调整角频率，μn是MOS 管载流子迁移率，COX是 MOS 管单位面积的栅氧化层电容，Wmos/Lmos是 MOS 管的宽长比，α 是 Rdet的电阻温度系数 TCR(Temperature Coefficient of Resistivity)。取如表 1 所示参数[4, 5]，可以得到单元探测器工作电流的大小与输出响应率的变化关系(如图 2 所示)。如果采用负温度系数的氧化钒材料作光敏元，当工作电流从10μA 增大到45μA 时，响应率可以从-2×106V/W 变化到-3×107V/W;考虑到功耗、动态范围等因素，我们选择工作电流为20μA，这时的响应率约为-5×106V/W。微测辐射热计存在较大的非均匀性，就探测器面阵本身的非均匀性造成输出非均匀性的主要因素有探测器的红外辐射吸收率、电阻、TCR，热容、热导等。利用数学软件 Matlab 对图 1 读出结构探测元的输出及探测元非均匀性造成的影响作了仿真分析。仿真参数值同表 1[4, 5]，工作电流为 20μA，参数的非均匀性为5%。文中只考虑了各参数取值为其正负最大偏差值和典型值三种，并且为均匀分布的情况，另外假设探测器面阵的衬底温度是均匀一致的，即各探测单元的Ts(i, j)=Ts。
对探测器面阵施加均匀的入射信号，可以用式(4)[6]计算探测器面阵输出信号的平均响应率：
式中P 是第i 行第 j 列单元探测器接收到的红外辐照功率的变化量， V(i, j) 是第 i 行第 j 列探测单元输出电压的变化量，d 和 h 为无效像元(包括死像元和过热像元)。仿真实验所得响应率与式(2)的结果吻合。从图3 中可看出，衬底温度恒定时，随着背景和衬底温度的升高，探测元输出信号的平均响应率略有下降;而响应率对衬底温度的敏感度远大于对背景温度的敏感度。
对该阵列的输出进行两点校正可以使其非均匀性大为减小;但是当衬底温度变化的时候，如果仍然使用原来的校正系数进行校正，就会发现残余非均匀性噪声有所不同。为了比较不同衬底温度和背景温度下的非均匀性噪声的大小，文中提出了这样的一个指标：非均匀性噪声等效功率(NonuNIformity NoiseEquivalent Power, NNEP)，其定义如下
式中Vij是在某背景温度和衬底温度下探测器第i 行第j 列单元输出的电压值，Vmean是在该背景温度和衬底温度下整个探测器输出信号的均值，ij是第i 行j 列单元的响应率。
对衬底温度为300K 的探测器输出进行两点校正，校正温度为306K 和347K。校正后在各背景温度下的残余非均匀性噪声如图4。当衬底温度偏离300K 时，如果仍用原来的校正系数，在校正点得到的残余非均匀性噪声如表2 所示。从表中可以看到衬底温度变化1K 以上时残余的非均匀性噪声大为增大。
3 结 论
通过改变积分时间、积分电容或 MOS 管偏置电压可以方便地改变 CTIA 读出方式的微测辐射热计探测单元的响应率，如果积分电容为5pF、积分时间为20μs，当工作电流从10μA 增大到45μA 时，响应率的大小可以从 106V/W 增大到107V/W。衬底温度及背景温度的升高都会使探测器的响应率下降，且探测单元对衬底温度的变化更为敏感。文中提出的 NNEP 指标可以用来比较不同背景温度及衬底温度下的非均匀性噪声;利用该指标对两点校正后的残余非均匀性噪声进行分析，分析结果表明采用两点校正法可以对该读出方式的微测辐射热计输出进行良好的校正，但是衬底温度的变化要保持在约 0.01K 以内。比如法国SOFRADIR 公司的 320×240 微测辐射热计产品 IDML073-V3 就采用了精密的热电恒温器来满足衬底温度的要求，代价是增加了系统的成本和复杂性。
通过文中的仿真分析，对于微测辐射热计的 CTIA 工作方式和衬底温度对微测辐射热计的影响有了更清楚的认识，为进一步设计性能更好的非致冷型微测辐射热计及其读出电路打下了基础。
参考文献：
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基金项目：国家自然科学基金资助项目(60377036)
作者简介：孟丽娅(1976-)，女(汉族)，上海人，博士生，主要从事红外探测器读出电路研究。E-mail: mengly_cqu2002@yahoo.com.cn
