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1、(10)申请公布号 CN 104048754 A (43)申请公布日 2014.09.17 CN 104048754 A (21)申请号 201410216004.3 (22)申请日 2014.05.21 G01J 1/42(2006.01) G01D 3/028(2006.01) (71)申请人 西北核技术研究所 地址 710024 陕西省西安市灞桥区平峪路 28 号 (72)发明人 张检民 冯国斌 邵碧波 杨鹏翎 陈绍武 叶锡生 (74)专利代理机构 西安文盛专利代理有限公司 61100 代理人 李中群 (54) 发明名称 激光参数测量中光导型探测器的光热效应修 正方法 (57) 摘要 本。
2、发明提出了一种光导型探测器在激光参数 测量应用中的光热效应修正方法， 包括以激光辐 照结束后瞬间的热残留信号作为激光辐照结束时 刻的基线温漂 ； 取激光作用过程中的基线漂移量 与热残留信号之比等于分析时刻之前探测器输出 信号之和与辐照全过程输出信号总和的比值。本 发明的方法能有效减轻辐照所致光导型探测器光 敏元温升给激光参数测量结果所带来影响， 可在 基于光导型 HgCdTe、 InSb 等红外探测器的激光参 数测量中发挥重要作用。 基于本发明的方法， 激光 参数测量系统可使用单一传感芯片探测器， 降低 了测量系统的成本、 功耗和重量， 并可解决利用温 度传感器进行光敏元工作温度监测所产生的监。
3、测 温度与光敏元实际工作温度不一致的问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104048754 A CN 104048754 A 1/1 页 2 1. 激光参数测量中光导型探测器的光热效应修正方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 1 测量光导型探测器暗电阻和响应率随温度的变化数据， 进行曲线拟合分别得到暗 电阻和响应率随温度变化的函数 RD(T) 和 RV(T) ； 2 对激光作用前后及激光辐照过程中的探测器输出信号在时间域进行。
4、离散采样， 第 n 次采样所得的探测器输出信号为 V(n)， 其中辐照持续期间的采样点序号为 1 N， N 为正 整数， 辐照结束后第一个采样点序号为 N+1， 辐照开始前一个采样点序号为 0 ； 3 辐照结束后第一个采样信号 V(N+1) 减去辐照前的信号 V(0) 得到出光结束后的热 残留信号 Vres； 4分别计算不同采样时刻的基线漂移信号， 其中第n次采样(0nN+1)时的基线漂移 量为 5 分别计算不同采样时刻光敏元的工作温度， 其中第 n 次采样时刻的工作温度计算 步骤为 ： 5.1 由公式 RD,n(Tn)=V(0)+Vres,nIB， 计算得到第 n 次采样时刻的探测器暗电阻 。
5、RD,n(Tn)， 式中 IB为检测电路加载在探测器上的偏置电流 ； 5.2 根据步骤 1 中暗电阻随温度变化函数 RD(T) 和 5.1 中的 RD,n(Tn)， 反演求解 得到该采样时刻的探测器工作温度 Tn； 6分别计算不同采样时刻的电压响应率， 其中第n次采样时刻的电压响应率RV(Tn)的 计算步骤为 ： 将探测器工作温度 Tn代入步骤 1 中响应率随温度变化函数 RV(T) 中计算而 得 ； 7 分别计算不同时刻的待测激光功率， 其中第 n 次采样时刻的激光功率为 Pn=V(n)-Vres,nRV(Tn)。 2. 根据权利要求 1 所述的激光参数测量中光导型探测器的光热效应修正方法，。
6、 其特征 在于 ： 所述步骤 1 中的 RD(T) 和 RV(T) 是采用温度循环试验获取的拟合曲线参数。 3. 根据权利要求 1 所述的激光参数测量中光导型探测器的光热效应修正方法， 其特征 在于 ： 所述的光导型探测器为碲镉汞或锑化铟。 4. 根据权利要求 1 所述的激光参数测量中光导型探测器的光热效应修正方法， 其特征 在于 ： 所述的光导型探测器的工作方式为恒流驱动。 权 利 要 求 书 CN 104048754 A 2 1/3 页 3 激光参数测量中光导型探测器的光热效应修正方法 技术领域 0001 本发明涉及一种光电探测器应用方法， 尤其是一种强激光参数测量中的光导型探 测器光热效。
7、应修正方法。 背景技术 0002 恒流方式工作时光导型探测器的输出信号 V=PRV(T)+IBRD(T)， 其中 P 为入射到探 测器光敏元上的激光功率， RV(T) 为电压响应率， IB为检测电路加载在探测器上的偏置电 流， RD(T) 为探测器的暗电阻， 其中 RV(T)、 RD(T) 可事先标定， IB为常量。由此可解算得到入 射至探测器的功率 P=V-IBRD(T)RV(T)， 此即光导型探测器用于激光参数测量的基本原理。 0003 典型红外光导探测器(如碲镉汞HgCdTe、 锑化铟InSb等)的暗电阻和响应率均对 工作温度较为敏感， 而光敏元在激光辐照下将发生温升。暗电阻和响应率随光。
8、敏元温升而 改变， 因此， 输出信号中蕴含有光热效应成分。光热效应信号包括两部分 ： 暗电阻 RD(T) 随 温度变化所致的基线漂移， 以及响应率RV(T)随温度变化所致的光电响应幅值变化。 目前常 用的光热效应处理方法为 ： 以探测器自带温度传感芯片或外置温度传感器进行温度监测， 并将之作为探测器的工作温度， 然后根据暗电阻和响应率定标数据， 计算激光功率密度。 0004 上述常规方法存在一定的不足 ： 1) 环境与探测器光敏元之间的热量传递需要时 间， 亦存在温度梯度， 外置温度传感器的监测值并不是探测器的真实工作温度。2) 光敏元 在激光作用下升温极快， 即使在探测器内嵌入温度传感芯片或。
9、传感器， 测得的温度亦无法 反映光敏元的工作温度 ； 2007 年国防科技大学王飞等人在 红外激光工程 第 36 卷第 4 期 文 “HgCdTe 探测器 Pt 电阻测温分析” 通过实验研究和数值分析证实了这一结论。3) 在探 测器中植入温度传感芯片， 器件成本将增加， 经济性下降 ； 同时， 温度芯片的加入导致测量 系统数据量翻倍、 功耗上升， 不宜大规模应用。 发明内容 0005 本发明的目的是提供一种激光参数测量中光导型探测器的光热效应修正方法， 用 以提高激光参数测量的不确定度指标。 0006 本发明的技术方案是 ： 0007 一种激光参数测量中光导型探测器的光热效应修正方法， 包括以。
10、下步骤 ： 0008 1 测量光导型探测器暗电阻和响应率随温度的变化数据， 进行曲线拟合分别得 到暗电阻和响应率随温度变化的函数 RD(T) 和 RV(T) ； 0009 2 对激光作用前后及激光辐照过程中的探测器输出信号在时间域进行离散采 样， 第 n 次采样所得的探测器输出信号为 V(n)， 其中辐照持续期间的采样点序号为 1 N， N 为正整数， 辐照结束后第一个采样点序号为 N+1， 辐照开始前一个采样点序号为 0 ； 0010 3 辐照结束后第一个采样信号 V(N+1) 减去辐照前的信号 V(0) 得到出光结束后 的热残留信号 Vres； 0011 4分别计算不同采样时刻的基线漂移信。
11、号， 其中第n次采样(0nN+1)时的基线 说 明 书 CN 104048754 A 3 2/3 页 4 漂移量为 0012 5 分别计算不同采样时刻光敏元的工作温度， 其中第 n 次采样时刻的工作温度 计算步骤为 ： 0013 5.1 由公式 RD,n(Tn)=V(0)+Vres,nIB， 计算得到第 n 次采样时刻的探测器暗电阻 RD,n(Tn)， 式中 IB为检测电路加载在探测器上的偏置电流 ； 0014 5.2 根据步骤 1 中暗电阻随温度变化函数 RD(T) 和 5.1 中的 RD,n(Tn)， 反演 求解得到该采样时刻的探测器工作温度 Tn； 0015 6 分别计算不同采样时刻的电。
12、压响应率， 其中第 n 次采样时刻的电压响应率 RV(Tn) 的计算步骤为 ： 将探测器工作温度 Tn代入步骤 1 中响应率随温度变化函数 RV(T) 中计算而得 ； 0016 7 分别计算不同时刻的待测激光功率， 其中第 n 次采样时刻的激光功率为 Pn=V(n)-Vres,nRV(Tn)。 0017 上述步骤中暗电阻和响应率随温度变化的数据是采用常规的温度循环试验的方 法获取参数。 0018 上述步骤中光导型探测器工作于恒流驱动模式。 0019 本发明具有的有益效果 ： 0020 1、 本发明提供了一种有效减轻激光辐照所致光导型探测器光敏元温升给激光参 数测量结果所带来影响的处理方法， 该。
13、方法可广泛应用于典型光导型 HgCdTe、 InSb 等红外 探测器的激光参数测量中。 0021 2、 本发明的光热效应修正方法解决了额外增加温度传感芯片或外置温度传感器 带来的成本、 功耗、 重量增加问题， 同时也克服了以不同温度传感器 / 芯片进行光敏元工作 温度监测所带来的监测温度与实际工作温度不一致的问题。 附图说明 0022 图 1 为本发明光热效应修正步骤的流程图 ； 0023 图 2 为光热效应修正前后的探测器测量激光功率密度的结果比较。 具体实施方式 0024 本发明的技术思路是 ： 通过大量实验研究和数值分析获知， 光导型探测器在激光 作用结束后的热残留信号大小(即基线漂移的。
14、幅度)与入射到该探测器上的总激光能量近 似成正比， 且激光作用过程中的光热效应信号至少比光电信号小一个数量级。 此外， 假设激 光辐照结束前瞬间的基线漂移与辐照结束后瞬间的热残留信号相同。基于上述条件， 可认 为测量中的基线漂移量可根据热残留信号方法估算， 即取基线漂移量与热残留信号之比等 于分析时刻之前探测器输出信号之和与辐照全过程信号总和的比值， 如此可求得不同采样 时刻的光敏元工作温度， 进而获知此时的激光功率密度。 0025 如图 1 所示， 本发明用于激光参数测量时的探测器光热修正方法具体步骤为 ： 0026 1 将探测器置于温控设备中， 分别测量不同温度下的暗电阻和响应率 ； 00。
15、27 2 对暗电阻和响应率随温度变化数据进行指数或二次曲线拟合， 分别得到暗电 说 明 书 CN 104048754 A 4 3/3 页 5 阻和响应率关于温度的函数 RD(T) 和 RV(T)。 0028 通常采用二次曲线拟合， 可表示为 ： 0029 RD(T)=k1T2+k2T+k3， 其中 k1、 k2、 k3为拟合系数 ； 0030 RV(T)=k1T2+k2T+k3， 其中 k1、 k2、 k3为拟合系数。 0031 3 选用合适的恒流检测电路和信号放大电路， 其中偏置电流常取为毫安量级 ； 使待测激光正入射到探测器光敏面上， 以数据采集设备记录激光作用前后及激光辐照过程 中的探测。
16、器输出信号。记不同采样时刻 n 所得的探测器输出信号为 V(n)。其中辐照持续期 间的采样点序号为 1 N， 辐照结束后第一个采样点序号为 N+1， 辐照开始前一个采样点序 号为 0。 0032 4 将辐照结束后第一个采样信号 V(N+1) 减去辐照前的信号 V(0) 得到出光结束 后的热残留信号 Vres， 即 Vres=V(N+1)-V(0)。 0033 5 逐步计算不同采样时刻的基线漂移信号。其中第 n 次采样 (0nN+1) 时的基 线漂移量为 0034 该公式的含义是 ： 由于激光作用过程中的光热效应信号及辐照刚结束时的热残留 信号均近似正比于此前入射到该探测器上的累积能量。 同时激。
17、光测量应用中光热效应信号 远小于激光所致的光电信号， 故可根据激光作用期间的历史信号和值加权将热残留信号分 配到不同采样时刻。 0035 6 分别计算不同采样时刻光敏元的工作温度。其中第 n 次采样时刻的工作温度 计算如下 ： 先以公式 RD,n(Tn)=V(0)+Vres,nIB计算第 n 次采样时刻的暗电阻， 式中 IB为检测 电路加载在探测器上的偏置电流， 再根据暗电阻拟合函数 RD(T) 反演求解该采样时刻的光 敏元工作温度 Tn。 0036 7 分别计算不同采样时刻的电压响应率。其中第 n 次采样时刻的电压响应率 RV(Tn) 通过将探测器光敏元工作温度 Tn代入响应率拟合函数 RV。
18、(T) 计算而得。 0037 8 分别计算不同时刻的待测激光功率密度。其中第 n 次采样时刻的激光功率为 Pn=V(n)-Vres,nRV(Tn)。 0038 具体实施例 ： 0039 选用一台输出功率稳定度优于 3的固体中红外连续波激光器作为测试光源， 待 测激光功率密度取恒定值 1.3W/cm2， 测试器件为恒流模式工作的 HgCdTe 光导探测器， 以高 精度数据采集系统记录激光加载过程中的动态响应信号， 并进行激光功率密度还原计算。 使用本发明方法修正前后的功率密度曲线对比如附图2。 可见， 修正前随着激光作用时间变 长， 测量结果逐渐偏大， 而修正后的曲线趋于水平。由于激光器的输出功率比较稳定， 从而 验证了上述修正方法的可靠性。 0040 本发明不局限上述具体实施方式， 譬如选择不同的暗电阻和响应率的定标方式， 光导型探测器的工作模式从恒流变为恒压， 对计算顺序进行适度调整， 以及使用不同类型 的光导探测器等， 均在本发明的保护范围内。 说 明 书 CN 104048754 A 5 1/2 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 104048754 A 6 2/2 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 104048754 A 7 。