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MCT探测器相对光谱响应度测量及漂移修正研究

- ORCID：
王琪雯 ^1,2
✉
- ORCID：
赵云龙 ²
- ORCID：
安保林 ²
- ORCID：
卢小丰 ²
- ORCID：
杨成志 ²
- ORCID：
王高 ¹
✉
- ORCID：
董伟 ²
✉
- ORCID：
李仰军 ¹

1. 中北大学，山西太原 030051； 2. 中国计量科学研究院，北京 100029

中图分类号： TB96

最近更新：2025-02-21

DOI： 10.3969/j.issn.1000-1158.2025.02.02

摘要

MCT探测器作为光电探测器的关键元件，其响应度的准确测量对于保证系统的探测精度至关重要。然而，探测器响应度会随温度变化、材料老化以及环境条件的波动产生漂移，影响测量结果的可靠性。现有研究多集中于MCT探测器的波长响应特性，但对漂移问题的研究较为薄弱。以热释电探测器为标准探测器，搭建了光电探测器相对光谱响应度测量系统，测量了MCT探测器3.5~5 μm的相对光谱响应度，并与已有结果进行对比。实验通过重复切换热释电探测器和MCT探测器，测量了热释电探测器信号的重复性。研究了相对光谱响应度测量典型时间段内MCT探测器随时间的漂移特性，提出了以序列交叉测量方法和线性修正系数来修正准线性漂移影响，将MCT探测器的相对光谱响应度测量结果的相对标准偏差由0.74%降低到了0.38%；利用线性修正系数进行修正更适用于快速的MCT探测器相对光谱响应度的测量。

关键词

光学计量; 相对光谱响应度; MCT探测器; 漂移特性; 热释电探测器

1 引言

碲镉汞（MCT）探测器是一种典型的光电探测器，因其在中远红外（3 ~14 μm）波段中的高灵敏度，广泛应用于天文学、遥感成像、环境监测与环境能源等领域^［

1~3］。然而，由于碲镉汞材料对制备工艺要求较高，器件性能容易受温度、杂质等因素影响，因此通常需要在低温条件下（如液氮冷却）工作以获得最佳性能。作为红外探测器的核心组件，MCT探测器的性能直接影响着系统整体的探测能力与精度。

在实际应用中，探测器的光谱响应度是评价其性能的重要参数，反映了其在不同波长范围内对辐射能量的响应效率^［

4~6］。MCT探测器的光谱响应度受诸多因素影响，特别是温度变化、材料老化以及环境条件的波动，可引起探测器的响应度随时间产生漂移。这种漂移现象会导致测量数据的不准确，影响红外成像和信号检测的可靠性。

光电探测器的光谱响应度的测量在国内外已经做了大量研究^［

7~10］，英国国家物理研究院（NPL）利用半球式反射腔体热释电探测器为标准探测器，建立了光谱范围1~20 μm的光谱响应度标度，覆盖MCT探测器光谱响应范围^{［参考文献 11

百度学术}11］；美国国家标准与技术研究院（NIST）利用光谱响应接近平坦的低噪声等效功率热释电探测器作为标准探测器，测量了MCT探测器的相对光谱响应度^{［参考文献 12

百度学术}12］；中国计量科学研究院（NIM）利用低温辐射计测量了MCT探测器7.35~10.6 μm的绝对光谱响应度^{［参考文献 13

百度学术}13］；西安应用光学研究所利用腔体热释电探测器为标准探测器，测量了MCT探测器3~14 μm的相对光谱响应度^{［参考文献 14

百度学术}14］。

在上述公开发表的文献中，对于MCT探测器在中红外波段的光谱响应度测量，并没有考虑MCT探测器的漂移带来的影响。英国国家物理研究院在2005年明确提出低温冷却的HgCdTe探测器的光谱响应率随时间缓慢漂移，认为漂移的大小与波长密切相关^［

15］。

本文以热释电探测器为标准探测器、黑体辐射源为光源，搭建了光电探测器相对光谱响应度测量系统。测量了MCT探测器3.5~5 μm的相对光谱响应度；分析了MCT探测器自身漂移特性；提出利用序列变换与线性修正系数修正的方法，消除MCT探测器准线性漂移影响，并通过实验进行验证。

2 测量原理

黑体辐射源的辐射能力可以通过该黑体辐射源在一定波长 $λ$ 和温度 $T$ 下的辐射亮度 $L (λ, T)$ 与光栅光谱仪系统获得的光谱信号 $S (λ, T)$ 建立函数关系。在已知 $λ$ 和 $T$ 的条件下， $L (λ, T)$ 可以通过普朗克黑体辐射定律进行求解^［

16］，可表示为

L (λ, T) = \frac{c_{1}}{π λ^{5} [e x p (c_{2} / λ T) - 1]}

（1）

式中：c₁=3.7418×10^-16 W·m²为第一辐射常数；c₂=1.4388×10^-2 m·K为第二辐射常数； $λ$ 为波长， m；T为黑体辐射源热力学温度，K。

MCT探测器相对光谱响应度测量可以描述为：已知温度T的黑体发射出辐射经过光学系统、斩波器、次消极滤光片进入到光栅光谱仪的入口狭缝，由光栅光谱仪分为波长 $λ$ 的单色光，进入到红外积分球，再由安装在积分球上的探测器进行探测，最后再由锁相放大器进行微弱信号的放大完成采集。黑体辐射经过光栅光谱仪系统，与滤光片的透过率、光栅的分光效率以及光学系统参数成正比^［

14］，本文统一定义这些参数为光栅光谱仪系统参数H。即黑体辐射进入积分球反射一次得到的辐射照度为：

E_{0}^{'} (λ, T) = K \cdot H \cdot L (λ, T) \cdot ρ \cdot \frac{A_{i} + A_{o}}{A}

（2）

式中：K为探测器的放大倍数； $ρ$ 为积分球内壁反射率； $A_{i}$ 为积分球入口端开口面积； $A_{o}$ 为积分球出口端开口面积； $A$ 为积分球总面积。

但是在实际应用中，黑体辐射进入积分球会经过多次反射才能进入探测器内部，因此可以用 $ρ^{'}$ 替换上式的 $ρ$ ：

ρ^{'} = ρ (1 + ρ + ρ^{2} + . . . + ρ^{n}) = \frac{ρ}{1 - ρ}

（3）

根据式（2）和式（3）得到最终黑体辐射在积分球内部产生的辐射照度 $E_{0} (λ, T)$ ^［

17］为：

E_{0} (λ, T) = K \cdot H \cdot L (λ, T) \cdot \frac{ρ}{1 - ρ} \cdot \frac{A_{i} + A_{o}}{A}

（4）

即黑体发射出的辐射经过光栅光谱仪系统和红外积分球分别照射到热释电探测器和被测MCT探测器，因此热释电探测器和被测MCT探测器探测的信号可以表示为：

\begin{array}{l} S_{s} (λ, T) - S_{s o} (λ, T) = \\ R_{s} (λ) \cdot K \cdot H \cdot E_{0} (λ, T) \cdot \frac{ρ}{1 - ρ} \cdot \frac{A_{i} + A_{o}}{A} \end{array}

（5）

\begin{array}{l} S_{m} (λ, T) - S_{m o} (λ, T) = \\ R_{m} (λ) \cdot K \cdot H \cdot E_{0} (λ, T) \cdot \frac{ρ}{1 - ρ} \cdot \frac{A_{i} + A_{o}}{A} \end{array}

（6）

式中： $S_{s}$ 、 $S_{m}$ 分别为热释电探测器和MCT探测器的电压信号； $S_{s o}$ 、 $S_{m o}$ 分别为热释电探测器和MCT探测器的背景电压信号； $R_{s}$ 、 $R_{m}$ 分别为热释电探测器和MCT探测器的光谱响应度。

由式（5）和式（6）可以得到MCT探测器的相对光谱响应度 $R_{m} (λ)$ ^［

18］为：

R_{m} (λ) = \frac{S_{m} (λ) - S_{m o} (λ)}{S_{s} (λ) - S_{s o} (λ)} \cdot R_{s} (λ)

（7）

由于所使用的标准探测器为热释电探测器，对于波长的改变而不发生变化， $R_{s} (λ)$ 可以被认为是一个定值。并且在实际应用中，为了可以更好地观察到探测器的光谱响应度随波长的变化，通常利用所得到的值除以光谱响应度最大值进行归一化 $R_{m, m a x} (λ)$ ^［

19］。

最终获得的被测MCT探测器相对光谱响应度模型为：

R_{m} (λ) = \frac{S_{m} (λ) - S_{m o} (λ)}{S_{s} (λ) - S_{s o} (λ)} \cdot \frac{R_{s} (λ)}{R_{m, m a x} (λ)}

（8）

本实验中，采用多次实验来验证测量结果的准确性，多次实验的相对标准偏差S_RSD表示为^［

20］：

S_{R S D} = \frac{\sqrt[]{\sum_{n - 1}^{n} (X_{i} {- \bar{X})}^{2}}}{\bar{X}}

（9）

3 实验装置

图1是基于标准探测器法测量光电探测器相对光谱响应度的实验装置图。测量系统由腔式黑体、反射式光学系统、红外光栅单色仪、斩波器、锁相放大器、恒温循环水槽、红外积分球以及计算机组成。腔式黑体作为系统的辐射光源；反射式光学系统和恒温循环水槽共同构成冷光路光学系统；斩波器与红外光栅单色仪组成分光系统；红外积分球、探测器、锁相放大器以及计算机组成信号采集子系统。

图1 光电探测器相对光谱响应度测量系统

Fig.1 Photodetector relative spectral responsivity measurement system

1-黑体辐射源；2-双离轴反射镜；3-斩波器；4-斩波器控制器；5-恒温水浴槽；6-滤光轮；7-光栅光谱仪；8-红外积分球；9-热释电探测器；10-MCT探测器；11-锁相放大器；12-计算机

3.1　辐射光源

红外辐射光源采用腔式黑体辐射源。该黑体空腔开口65 mm，黑体辐射源的亮度温度的稳定性优于0.1 ℃，其量值通过中心波长3.9 μm和8~14 μm的国家标准级传递辐射温度计，多波长整体溯源至黑体辐射源国家计量标准。

3.2　红外光栅单色仪

单色仪采用的是光栅光谱仪，光谱分辨率为0.06 nm。该光栅单色仪采用光栅塔的设计，并搭载有3块刻线分别为100、150、75 g/mm的闪耀波长光栅，光栅镀有金（AU）反射膜，覆盖1 ~15 μm的波长范围。本文采用的是150 g/mm，可以覆盖1~5 μm，并且搭配2块截止滤光片来抑制次级衍射干扰的现象。

3.3　锁相放大器、斩波器与恒温循环水浴

锁相放大器具有0.001 Hz～102.4 kHz的频率响应范围，100 dB的动态范围，10 μs～30 ks的时间常数，并具有自动调整增益、相位、动态范围和补偿设置的功能。

斩波器的斩波频率为4～400 Hz，2%的频率漂移，150×10^-6/℃频率稳定性。

恒温循环水浴，温度范围-20~95 ℃，控温精度0.5 ℃。

3.4　反射式光学系统

红外光学系统采用红外辐射测量中经典的离轴反射式光学系统。通过双离轴反射镜将被测辐射体成像于光谱仪入口狭缝处。双离轴反射镜表面镀金以提高红外反射率，提升其长期工作稳定性。光学系统焦距304 mm，光学系统总反射率≥0.9，限制光阑尺寸为6 mm。

3.5　红外镀金积分球

积分球选用是定制的红外积分球，内部涂有漫反射镀金膜，在3~14 μm漫反射率高达90%以上；其直径为50 mm，球体有4个端口，分别为7 mm×4 mm的矩形输入端口，3个直径10 mm的探测口。

3.6　热释电探测器

本文使用热释电探测器为标准探测器，德国InFraTec公司制作，关键参数见表1。

表1 热释电探测器性能指标

Tab. 1 Performance index of pyroelectric detector

性能参数	性能指标
型号	LME-352-63
探测面积	2.0×2.0 mm²
响应时间	150 ms
电压响应	7000 V/W
噪声密度	12 μV/Hz^0.5
红外窗口	BaF₂

为了使热释电探测器更好地适用于光电探测器相对光谱响应度测量系统，对其设计了高黑金属外壳，减少了外界杂散光带来的干扰，提高了系统的稳定性。图2所示为热释电探测器图片。

图2 热释电探测器

Fig.2 Pyroelectric detector

4 结果与分析

4.1　系统稳定性实验

本文通过切换标准探测器与被测探测器，借助光栅光谱仪系统对黑体辐射源进行信号分光与采集。在统一实验条件下，首先利用标准探测器获取基准数据；随后切换至被测探测器进行同样的测量操作，为确保实验的准确性与重复性，进行了多次探测器切换，并对比了标准探测器的输出差异；最终，计算标准探测器在5次测量中的相对标准偏差（RSD），从而评估其系统的稳定性与测量一致性。图3所示为测量结果，测量结果表明，5次测量的标准探测器信号相对标准偏差均低于0.3%，表明系统具备良好的稳定性。

图3 标准探测器5次测量结果

Fig.3 Results of 5 times measurement with the pyroelectric detector

4.2　MCT探测器漂移特性实验及修正

在MCT探测器相对光谱响应度测量研究中，由于MCT探测器的工作温度在77 K，因此需要液氮进行低温冷却。在测量过程中MCT探测器光谱响应度会随着时间进行缓慢漂移，这对于MCT探测器的相对光谱响应度的测量造成不利影响。本文利用光栅光谱仪系统对MCT探测器3.5 μm和5 μm的漂移特性进行了研究。将黑体辐射源升温到600 ℃，控温稳定30 min后，利用光栅光谱仪将光栅分别转至3.5 μm和5 μm处，将MCT探测器放到积分球的出口处，利用锁相放大器进行微弱信号的放大，最后再利用自编的Labview程序对信号进行采集。从开始注入液氮进行采集，每1 min一次，共采集180次。漂移测量结果见图4所示。

图4 MCT探测器漂移测量结果

Fig.4 Results of the MCT detector drift measurements

测量结果表明，MCT探测器3.5 μm和5 μm 的信号值在180 min时间内呈现先急速上升后缓慢减小的现象。这是由于刚注入液氮时MCT探测器的温度降低，热噪声减小，导致信号迅速上升，后当液氮持续降温并且系统逐渐达到热平衡后信号值减小，大概在30 min后，MCT探测器逐渐趋于稳定。因此，对于MCT探测器的相对光谱响应度的测量需在注入液氮后稳定30 min后进行测量。但是在30 min后，MCT探测器的信号还是出现了明显的漂移现象。本文对MCT探测器稳定30 min后的150 min的测量数据进行了线性拟合，MCT探测器漂移特性测量时间150 min大于光谱响应度测量系统5次测量时间，拟合结果见图5所示。

图5 MCT探测器漂移特性拟合曲线

Fig.5 Fitting curve of drift characteristics of MCT detector

拟合结果显示，MCT探测器在3.5 μm和5 μm处的信号值随着时间的变化呈近似线性特征。因此可以利用序列交叉方式进行测量。即按照MCT探测器-热释电探测器-MCT探测器的顺序测量，建立序列交叉模型，修正MCT探测器漂移特性对光谱响应度的影响。

即MCT探测器的相对光谱响应度可以表示为：

R_{m}^{'} (λ) = \frac{S_{m 1} (λ) + S_{m 2} (λ) - 2 S_{m 0} (λ)}{2 [S_{s} (λ) - S_{s o} (λ)]} \cdot \frac{R_{s} (λ)}{R_{m, m a x} (λ)}

（10）

式中： $S_{m 1}$ 为第1次测量的MCT探测器的信号； $S_{m 2}$ 为第2次测量的MCT探测器的信号。

利用序列交叉方式虽然可以较好地修正MCT探测器漂移特性，但是会导致MCT探测器测量次数和测量时间的增加。因此本文还采用了拟合数据利用线性修正系数进行修正。由图5显示，3.5 μm和5 μm的拟合曲线的斜率k都接近于0.006，可以近似认为3.5~5 μm的信号随时间呈0.006倍的变化。基于图5拟合的曲线可以得到MCT探测器随时间变化的线性曲线，即MCT探测器的信号可以表示为：

S_{m} = S_{m m} + k Δ t

（11）

式中： $S_{m m}$ 为MCT探测器的初始电压信号；k为电压信号的线性漂移系数； $Δ t$ 为间隔时间。

则MCT探测器的信号经过线性漂移修正为：

{S_{m}}^{'} = S_{m m} - k Δ t

（12）

即MCT探测器的相对光谱响应度模型可以表示为：

R_{m}^{″} (λ) = \frac{S_{m m} (λ) - k Δ t - S_{m 0} (λ)}{S_{s} (λ) - S_{s o} (λ)} \cdot \frac{R_{s} (λ)}{R_{m, m a x} (λ)}

（13）

4.3　MCT探测器相对光谱响应度的测量及修正

在黑体辐射源600 ℃的温度下，本文以热释电探测器为标准探测器，测量了MCT探测器3.5~5 μm下的相对光谱响应度。

具体操作为：将黑体升至600 ℃后稳定30 min，依次打开光栅光谱仪，斩波器，热释电探测器，锁相放大器，计算机。使得黑体辐射出的光通过光学系统、斩波器、消次级滤光片进入到光栅光谱仪的入口狭缝，经过光谱仪利用光栅进行分光，进入到积分球，再由安装到积分球的热释电探测器进行探测，探测出的信号经过锁相放大器对微弱信号进行放大，由计算机进行采集。采集完成后，将MCT探测器切换到热释电探测器的位置，重复上述步骤，最后利用测量模型得到MCT探测器的相对光谱响应度。测量1次并不能较好地观测到MCT探测器的漂移特性所带来的影响，本文采用连续测量5次来表达MCT探测器的相对光谱响应度，测量结果见图6。

图6 归一化MCT探测器相对光谱响应度测量结果

Fig.6 Results of normalized MCT detector relative spectral responsivity measurements

如图6所示，MCT探测器的相对光谱响应度在3.5~5 μm随着波长逐渐升高，并且在5 μm处达到最大值。由于MCT探测器随着时间发生漂移，导致测量的MCT探测器相对光谱响应度的重复性比较差，需要对MCT探测器的漂移进行修正。

针对MCT的探测器的漂移现象，本文采用序列交叉测量和线性修正系数修正的方法测量MCT探测器的相对光谱响应度，测量结果如图7所示。

图7 经序列交叉修正后归一化MCT探测器相对光谱响应度测量结果

Fig.7 Normalized relative spectral responsivity measurement results of MCT detector after serial cross-correction

图8为经线性修正系数修正后归一化MCT探测器相对光谱响应度测量结果。由图7和图8显示，经序列交叉测量和线性修正系数的方法进行修正，MCT探测器的相对光谱响应度5次测量结果的重复性得到了显著的提高，平均相对标准偏差从0.74%分别降低到0.38%和0.41%。其中利用线性修正系数方法更适用于快速的光谱响应度的测量。

图8 经线性修正系数修正后归一化MCT探测器相对光谱响应度测量结果

Fig.8 Normalized relative spectral responsivity measurement results of MCT detector after linear correction coefficient correction

本文对MCT探测器相对光谱响应度测量过程中的不确定度进行分析，具体结果见表2。

表2 MCT探测器相对光谱响应度测量不确定度

Tab 2 Measurement uncertainty of relative spectral responsivity of MCT detector ( % )

不确定度贡献项	评定方法	相对标准不确定度
测量的重复性u₁	A	2.6
单色仪的波长精度u₂	B	0.02
黑体辐射源稳定性u₃	B	0.32
锁相放大器的增益u₄	B	0.1
探测器漂移的非线性u₅	A	1.4
合成相对标准不确定度u	2.97

扩展不确定度为 U=5.94%（k=2）。

将修正后的MCT探测器的相对光谱响应度与NIST^［

12］归一化的测量值进行对比，结果见图9。由图9可以看出，本文测量值与NIST的值随波长的变化趋势基本相同。在波长3.5~4 μm范围内，相对偏差低于4%；在波长4~5 μm范围内，相对偏差低于2%，偏差均小于NIST和NIM扩展不确定度的合成。

图9 归一化后的测量值与NIST对比结果

Fig.9 Normalized measurement values compared to NIST results

5 结论

本文以热释电探测器为标准探测器，搭建了光电探测器相对光谱响应度测量系统。利用热释电探测器与MCT探测器的切换，对系统稳定性进行了测量；分析了MCT探测器漂移特性对测量结果的影响，开展了序列交叉修正和线性漂移系数修正对测量结果的影响。研究结果主要有：

1）通过切换热释电探测器和MCT探测器，测量热释电探测器信号相对标准偏差低于0.3%，证明系统稳定性良好。

2）实验测量了MCT探测器加入液氮180 min内的信号漂移，证明了MCT探测器加入液氮须稳定30 min后工作，稳定后的150 min内成准线性漂移。

3）本文利用序列交叉测量和线性漂移系数对MCT探测器的光谱响应度漂移进行修正，MCT探测器相对光谱响应度5次测量的平均相对标准偏差从0.74%降低到0.38%，其中利用线性修正系数进行修正更适用于快速的MCT探测器相对光谱响应度的测量。

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MCT探测器相对光谱响应度测量及漂移修正研究

摘要

关键词

1 引 言

2 测量原理

3 实验装置

3.1 辐射光源

3.2 红外光栅单色仪

3.3 锁相放大器、斩波器与恒温循环水浴

3.4 反射式光学系统

3.5 红外镀金积分球

3.6 热释电探测器