《光電對抗原理與應用》課件第3章

第3章光電偵察告警技術3.1輻射源3.2光輻射的探測技術3.3激光偵察告警技術3.4紅外偵察告警技術3.5紫外偵察告警技術3.6光電綜合偵察告警技術

3.1輻射源

輻射源大體可分為三類：一類是人造輻射源，如黑體、鈉燈、能斯特燈等；另一類是自然輻射源，系統(tǒng)設計中有時稱它們?yōu)楸尘拜椛湓?，太陽、月亮、地球、海洋、云等輻射都屬自然輻射源；再一類是目標輻射源，這里的目標是指所討論的目標的核心輻射，例如對于對抗導彈，導彈的輻射就是目標輻射源。本節(jié)討論的主要是后兩大類，而自然輻射源中的太陽和月亮輻射在許多書上都能查到，因此不在本節(jié)中討論。3.1.1背景輻射源

背景輻射可以是自身輻射、反射或是散射來自天空、陸地、海面的輻射，而且往往是上述幾種因素的綜合反映。背景輻射理論上的大致特征如圖3.1所示。

3μm以下的光譜是以反射和散射太陽輻射為主，此時譜輻射分布可以近似用6000K黑體輻射分布代替。實際輻射分布與構(gòu)成背景的反射和散射特性有關：4.5μm以上的光譜分布主要是地球、空氣和目標的自身熱輻射，其溫度在300K左右；3~4.5μm之間光譜的背景輻射處于最低值。圖3.1理論上背景輻射光譜的分布曲線

1.陸地的背景輻射特性

陸地的背景輻射特性主要取決于地表物反射率和地表發(fā)射的熱輻射。表3.1給出地面和云霧的反射率數(shù)據(jù)，也給出地球的光譜反射特性和反射的角分布。表3.1地面和云霧的反射率數(shù)據(jù)

從表3.1中可以看出地球反射率具有下列一般規(guī)律：

(1)隨太陽高低角的減小，反射率增大。

(2)陸地通常比海洋的反射率高。

(3)反射率隨緯度的升高而增加，因為緯度升高時，太陽高低角減小。

(4)地球南北極因冰雪覆蓋和云覆蓋也使反射率增加。

(5)濃云覆蓋有較高的反射率。

(6)由于云量、植物和冰雪覆蓋的季節(jié)性變化，各地區(qū)的反射率也有季節(jié)性變化。陸地的熱輻射主要受陸地表面溫度和云覆蓋量影響。陸地表面較溫暖地區(qū)要比較冷地區(qū)發(fā)射的熱輻射量更多。云量增加會引起熱輻射減少。無云時，空氣溫度和濕度是主要影響因素。空氣溫度增加使熱輻射也增加，但濕度增加會引起熱輻射減少。太陽高低角也影響熱輻射，因為它影響地面溫度和低層大氣溫度。故陸地的熱輻射有晝夜和季節(jié)性變化，陸地的輻射晝夜變化特別明顯。陸地上的熱輻射雖各處不同，但它比地球表面各處反射率的變化小得多。地球熱輻射圖形通常與反射率圖形相反，有下列特點：

(1)最大熱輻射出現(xiàn)在晴朗的赤道地區(qū)，隨緯度的增加，地球的熱輻射減少。

(2)在每日不同時刻，陸地和海洋之間的熱輻射有明顯差異。

(3)云覆蓋使其熱輻射減少。

(4)季節(jié)性變化明顯，即較暖和的地區(qū)有更高的熱輻射。

(5)在海洋，熱輻射的晝夜變化不大，而在沙漠地區(qū)晝夜變化可達20％。白天由于太陽照射的原因，小于4μm波長的太陽光反射占優(yōu)勢。陸地上，地面地物反射率變化很大，3μm以下光的反射率從粗糙地面的0.03到新下積雪的0.95。4μm以上波段的輻射則是地面地物自身溫度產(chǎn)生的輻射。地面地物的輻射率都比較高，尤其是8~13μm微米波段，大部分地面背景的輻射率超過0.9。根據(jù)柯西霍夫定律，地面地物是一個好的吸收體，也是一個好的輻射體。夏日白天地面溫度往往可達40~50℃，夜晚地面地物的冷卻速度與物體的熱容量、熱導和空氣熱交換有關，同時還與它們的輻射率和大氣濕度、云層高度和厚度有關。在非常干旱、天上又無云的地區(qū)，地面熱輻射很快傳向空間，地物溫度也下降很快。在植物生長和河湖海附近，由于它們有很大的熱容量,因而白天和夜晚的溫差相對要小。

1)植被的光譜反射特性

綠色植被的光譜反射率如圖3.2所示。其特征是在可見光波段，對于正常的綠色植被，中心波長在0.45μm的藍光譜帶和中心波長在0.65μm的紅光譜帶的反射率都非常低。這就是葉綠素吸收帶，在兩個葉綠素吸收帶之間，即在0.45μm附近形成一個反射峰，這個反射峰正好位于可見光的綠色波長區(qū)域，所以人眼看植被是綠色的。圖3.2綠色植被的光譜反射率當植被患病或成熟時，葉綠素和水分含量減少，兩個葉綠素吸收帶的吸收減弱。在上述紅色吸收區(qū)的反射率增高，所以患病植物或成熟莊稼呈黃色或紅色。從波長0.7μm開始，植被反射率迅速增加，形成近紅外反射峰。與可見光波段相比，植被在近紅外的光譜特征是反射率很高，透過率也很高，但吸收率很低。大多數(shù)植被在近紅外波段的反射率和透過率均為0.45～0.50，但吸收率小于0.05。在波長大于1.3μm的近紅外區(qū)域，植被的光譜反射率主要受1.4μm和1.9μm附近的水吸收帶支配。植被的含水量控制著這個區(qū)域的反射率。在這兩個吸收帶之間的1.6μm處有一個反射峰。

2)土壤和巖石的光譜反射特性

在從可見光到近紅外的0.4～2.4μm波段，土壤的反射率與土壤的物理化學性質(zhì)有密切的關系。反射率取決于土質(zhì)和土壤水分的含量、土壤中腐殖質(zhì)和氧化鐵的含量以及土壤中可溶鹽的含量等。土壤的顆粒越小，土壤的表面就更趨平滑，反射率增高。隨著土壤中水分含量的增加，反射率就下降。土壤中腐殖質(zhì)和氧化鐵的增加，都會降低土壤的反射率。由于中性鹽分本身的反射特性，它們一般并不改變土壤自身的光譜特征，但能提高相對反射率，尤其當鹽分積存在土壤表面時，除了幾個水吸收帶之外，土壤的反射率一般隨著波長的增加而增加。

巖石在上述波段的光譜反射特性呈現(xiàn)中性，基本不隨波長變化，甚至不會由于波長的增加而稍有增加。目前已有專門著作給出土壤、沙礫和火成巖的光譜特性。圖3.3給出了干濕土壤、沙礫和火成巖的光譜特性的例子。圖3.3光譜特性例子(a)干濕土壤；(b)沙礫；(c)火成巖

3)道路、建筑物、油漆或涂料的光譜特性

不同的筑路材料、水泥地面和柏油路面的光譜反射率曲線對識別機場跑道、高速公路和越野車輛行駛的道路具有重要意義。大多數(shù)筑路材料具有與土壤和巖石相似的光譜反射率曲線。在0.7μm的紅光區(qū)，個別的反射率有較大的值。圖3.4～圖3.6給出不同氣象條件下的混凝土跑道、礫石路面和高級瀝青路面及其上空背景的光譜特性?？v軸用光譜的視在溫度，即等效的黑體輻射溫度表示對應的反射特性，圖下方表示測量精度。

建筑物的普通建筑材料、外表的油漆或涂料的光譜特性是不同的，這往往是激光和紅外成像識別的重要依據(jù)。圖3.7和圖3.8分別給出一些建筑材料和油漆/涂料的光譜特性。圖3.4混凝土跑道及其上空的光譜特性圖3.5礫石路面及其上空的光譜特性圖3.6高級瀝青路面及其上空的光譜特性圖3.7建筑材料及其上空的光譜特性圖3.8油漆涂料及其上空的光譜特性

4)冰雪的光譜反射特性

冰和雪的光譜反射特征基本相同。圖3.9是雪的光譜反射率曲線。從圖中可以看出，在可見光波段，積雪的反射率很高。特別是新雪，幾乎接近1。但在近紅外波段,它的反射率明顯下降，在1.5μm處，差不多降到零。隨著積雪的老化，雪的反射率普遍下降。但是降低程度隨波長而異，一般可見光波段下降不大，但在大于0.8μm的波段反射率明顯降低。圖3.9雪的光譜反射率曲線

2.海洋的背景輻射特性

海洋占地球表面面積的2/3以上，在人類經(jīng)濟和社會發(fā)展中占有重要的地位。廣袤的海洋又是我國國防的天然屏障。光電對抗設備在對海監(jiān)測時，例如搜索和跟蹤水面艦艇、船舶以及在海面上空低空飛行的飛機、巡航導彈時，海洋背景的光學輻射研究和數(shù)據(jù)是不可缺少的。海洋背景的光學特征由海洋本身的熱輻射和它對太陽和天空輻射的反射組成。確定海洋背景特性的因素有：

(1)海水的光學特性。水對3μm以上的輻射基本不透過。海水的透射率、反射率、發(fā)射率、折射率與吸收系數(shù)及波長有關。

(2)海面的幾何形狀和波浪分布。一般海面的反射率是平坦海面的20％。白天太陽照射的角度不同,反射率也不同，晝夜的海水波浪、風的等級引起的波浪對海水背景都有影響。

(3)海面溫度分布。北極和赤道的水溫相差近29～30℃，暖流及其運動對海水背景影響不可忽視。近來發(fā)現(xiàn)海水污染后的油膜處溫度較未污染區(qū)稍低一些。

(4)海洋的浮游生物、藻類懸浮物和腐殖生物分解的黃色物對海水背景輻射也都有影響。沿海和公海、近海和遠洋的海洋生物的種類和濃度顯然不同，因此背景輻射也不同。近來由于人類造成的污染出現(xiàn)的大面積赤潮，使得海洋背景有較大的變化。

(5)海底物質(zhì)的分布和海底地質(zhì)情況。沙礫和巖石的影響較小。

(6)海面油膜的產(chǎn)生和分布。地下石油滲出、海洋石油開采和加工或傾卸廢油及艦船事故都使比水輕的石油浮在海面形成油膜，它明顯地改變了海洋背景輻射。

圖3.10表示海洋在白天時的光譜輻射亮度。在3μm波長以下，白天海洋的光輻射主要是對太陽和天空輻射的反射。在4μm波長以上，無論是白天和晚上，海洋的光輻射主要來自海洋的熱輻射。圖3.10海洋在白天時的光譜輻射亮度圖3.11和表3.2分別是海水光譜吸收曲線和數(shù)據(jù)。海水對除了藍綠光外的激光的傳輸是不透明的，海面的熱輻射主要是海面幾毫米厚的海水溫度輻射。圖3.11海水光譜吸收曲線表3.2海水光譜吸收數(shù)據(jù)

海洋背景的光譜輻射曲線與地面背景輻射曲線大致類同，波長大于4μm的輻射主要來自于海水自身輻射。海洋背景的光譜輻射與陸地上物體輻射不同的是，陸地物體的輻射取決于物體溫度和物體表面約30μm厚材料在該溫度下的輻射率；而海面輻射取決于海水表面幾毫米厚海水溫度和海水輻射率。除了接近海平面水平方向角之外，以任意角度測量的海水輻射率基本上都是一致的。4μm以下，海洋背景輻射主要是反射來自天空的輻射。各種衛(wèi)星測得的數(shù)據(jù)顯示，海洋各方向平均反射率為7％左右。應該指出的是，不論是反射率還是輻射率，它們都是海面平靜程度的函數(shù)，尤其是接近海面的水平方向與海面平靜度關系更為密切。

圖3.12給出平靜水面(粗糙度σ=0)在不同入射角下，光譜反射率與波長的關系。圖3.13是水面反射率和發(fā)射率(在2~15μm內(nèi)的平均值)與入射角的關系。圖3.12平靜水面(粗糙度σ=0)在不同入射角下，光譜反射率與波長的關系圖3.13水面反射率和發(fā)射率(在2~15μm內(nèi)的平均值)與入射角的關系海水的反射率和發(fā)射率，尤其在靠近水平方向時，與海面粗糙度有關。圖3.14給出不同粗糙度σ下的海面反射率ρ與入射角θ的關系。海面粗糙度σ與海風風速v有如下關系：

σ2=0.003+4.12×10-3

v

(3-1)

式中，v是海風風速(單位為m/s)。例如v=2m/s時，σ=0.1；v=17m/s時，σ=0.3。圖3.14不同粗糙度σ下的海面反射率ρ與入射角θ的關系

3.云的輻射特性

對于偵察、跟蹤空中目標的探測系統(tǒng)來說，對云的輻射特性的了解顯得格外必要。在許多系統(tǒng)設計中往往只考慮輻射在大氣中傳輸?shù)挠绊懀鋵嵲频挠绊懡^不可低估。云對探測系統(tǒng)的影響有兩個方面：其一是云層或云邊緣對太陽反射、散射以及云自身輻射，這些輻射光譜范圍很寬，不論設備工作在哪一個波段，都會受到很大干擾，有時可能會嚴重地影響系統(tǒng)指標；其二是整個云層猶如一個很大的屏障，部分甚至全部遮斷來自目標與探測系統(tǒng)之間的輻射，使探測系統(tǒng)偵察不到目標或丟失已跟蹤目標。云可以分為10個不同種類，它們是：高層的卷云、卷積云、卷層云，中層的高積云、高層云,低層的同溫層積云、層云、雨層云，垂直方向上發(fā)展的積云狀云和積雨云。它們的高度分布、厚度和微觀結(jié)構(gòu)見表3.3。應當指出的是，列在表中的高度隨緯度不同有些變化，尤其是南、北極高層云的高度會比表中高度高2~3km；每層云的上層高度變化更大，尤其是積雨云頂高度有時可達到對流層頂高度。表3.3云的高度、厚度分布和水的微觀結(jié)構(gòu)

續(xù)表波長低于4μm的云的輻射主要是云對入射太陽光的反射或散射，其光譜與6000K灰體相似，當然該灰體輻射受大氣傳輸影響需要進行修正。波長大于4μm云的輻射主要是云的自身輻射。由于云的結(jié)構(gòu)十分復雜，它的溫度分布也十分不均勻，因此云的輻射很難用統(tǒng)一的數(shù)學模型去描述。云的輻射率與波長和組成云面的液滴半徑有關，表3.4給出了厚云輻射率。薄云有時人肉眼都很難發(fā)現(xiàn)它存在，儀器測量顯示它在8~13μm也有較高的輻射率。表3.4厚云隨波長變化和不同液滴半徑的輻射率值

4.天空背景

在非常高的高空，背景輻射源是星光、月亮、太陽和行星，這些輻射源都發(fā)射自身輻射，但月亮和行星以反射太陽輻射為主，因為它們自身的溫度太低，相當于3.5K的黑體，對應的輻射波長相當于827.9μm的輻射。在衛(wèi)星對抗中往往要對衛(wèi)星進行搜索、發(fā)現(xiàn)、跟蹤，在這個過程中對天空背景的討論和研究是十分必要的，然而一般對抗空中目標，如飛機、導彈等時，除非光學視角正好對準太陽，一般高空背景的影響略去不計。在探測空中的飛行物，如飛機、火箭和導彈時，主要考慮中、低空背景輻射的影響。此時太陽光和月光的光學特性在大氣中的散射和自身的輻射將是不能忽略的影響因素。

白晝天空背景輻射是由大氣對太陽光的散射和大氣成分的自身熱輻射引起的。圖3.15給出的天空背景的光譜分成兩個區(qū)域：小于3μm的陽光散射區(qū)和大于4μm的熱輻射區(qū)。太陽的散射是晴空無云的散射和日耀云的反射。熱輻射可用300K黑體輻射近似表示。它的溫度變化范圍是0～40℃，再加一些實際因素予以修正。其中最重要的是0.94、1.1、1.4、1.9和2.7μm處的水蒸氣吸收帶，以及2.7μm的CO2吸收帶，如圖3.16所示。圖3.15陽光散射和大氣自身對背景輻射的影響圖3.16白晝晴朗天空輻射背景(含多個吸收帶)天空背景的熱輻射和大氣吸收帶中的大氣組分、大氣溫度、濕度、地理位置有關，和觀測角度也有關，如圖3.17所示。圖3.17晴朗夜空不同仰角的背景輻射云層對天空背景輻射有較大的影響，它在近紅外區(qū)有強烈的前向散射。因此，太陽、激光雷達和云層三者的相對位置就特別重要。在昏暗的陰天，云層的前向散射會減小。濃云應看成良好的黑體。云層的自身輻射范圍是8～13μm，但具體的光譜曲線和云的結(jié)構(gòu)、厚度、高低、溫度及觀測角度有關。過去曾單獨對云層進行分析和實驗測量，但現(xiàn)在傾向?qū)⒌厍蚝痛髿饴?lián)系起來考慮。3.1.2目標輻射源

1.火箭和導彈

火箭和導彈作為一種紅外輻射源，很難籠統(tǒng)地用某一個數(shù)學模型表達，應該把它發(fā)射后的飛行全過程分為幾個階段來描述。從點火發(fā)射到發(fā)動機熄火(有時稱這一段為初始段或加力段)，這個過程主要感興趣的是尾焰的可見光和紅外輻射及羽煙的紅外輻射。羽煙結(jié)構(gòu)與環(huán)境壓力和火箭的速度有關。尾焰及排出后不久的廢氣團粗略可視為灰體。如果從火箭后面向發(fā)動機尾部觀察，從火箭發(fā)動機的燃燒室及噴口處可直接觀察到高溫發(fā)光體。廢氣中大量高溫固體微粒不但本身是一個紅外輻射源，而且它們還反射來自燃燒室內(nèi)的輻射。機載紫外導彈逼近告警的原理，就是利用大量存在于廢氣團內(nèi)固體微粒反射或散射來自高溫燃燒室輻射出來的紫外光子，被反射或散射的紫外光子在空中4π球面度有一個立體角分布，安裝在飛機上的紫外光子傳感器，正是因為接收到了前向反射或散射的這部分光子而發(fā)出警報信號的(以導彈飛行方向為前向)?；鸺ɑ鸷螅鸺脩T性向前運動，此時火箭作為一個紅外源主要有兩部分輻射：一部分是火箭助推加力往往把火箭加速到超過音速幾倍，超音速物體與空氣摩擦產(chǎn)生蒙皮的氣動加熱，它是一個紅外輻射源，蒙皮溫度高低與火箭飛行速度、飛行高度及加速時間長短有關；另一部分是火箭發(fā)動機工作時的高溫，使尾管溫度也升高，雖然發(fā)動機已熄火，但它的溫度還是遠遠高于環(huán)境溫度，因此尾管及噴口表面也是一個紅外輻射源。由于戰(zhàn)術導彈一般工作時間為幾十秒到幾分鐘，導彈一旦熄火其紅外輻射強度下降好幾個量級，因此熄火后的導彈探測的難度可想而知。這里我們只對廢氣羽煙輻射進行分析,解決火箭和導彈在初始段的探測問題。

要確定火箭廢氣羽煙輻射的強度是一個十分復雜的問題，這是因為：

·通過流體力學和熱化學可確定羽煙在不同高度有不同形式，甚至連化學組分都是不同的。

·從物理光學出發(fā)，要求出綜合的、非均勻、非等溫、非等壓的氣體純光譜輻射也是不現(xiàn)實的。

我們試圖通過對諸如化學組分、羽煙結(jié)構(gòu)和羽煙紅外輻射三個方面的分析和描述，獲得分析火箭和導彈發(fā)動機工作時紅外輻射的基本方法。

(1)羽煙的化學組分。

羽煙輻射的光譜分布與羽煙中的分子種類有關。表3.5給出了有代表性的幾種液體燃料/氧化劑及它們?nèi)紵蟮闹饕a(chǎn)物和次要產(chǎn)物。羽煙組分，尤其是次要成分，與發(fā)動機工作條件和燃料/氧化劑比率有關。表3.5幾種液體推進劑燃燒后的產(chǎn)物

應當指出的是，為了使發(fā)動機高效工作，往往使它工作在富燃料狀態(tài)下，因此羽煙中含有大量可燃燒物質(zhì)，這些可燃燒物質(zhì)一旦得到空氣中氧氣的補充，會再次燃燒。這個再燃燒過程稱為二次燃燒。二次燃燒是火箭發(fā)動機在低空工作時的主要特征之一。二次燃燒的溫度可達500K。隨著高度的增加，高空氧氣密度降低，二次燃燒程度隨之降低。固體燃料的羽煙中含有更多微粒，含有13％鋁的聚亞胺酯固體燃料，燃燒后的產(chǎn)物重量比如表3.6所示。

在廢氣中還可能包含其他成分粒子，這是因為燃燒室高溫熔蝕了噴嘴及室內(nèi)壁材料的原因。了解了燃燒后產(chǎn)物，便可進一步從它們的光譜分布中研究羽煙的的紅外輻射分布。表3.6聚亞胺酯固體燃料燃燒后的產(chǎn)物重量比

(2)羽煙結(jié)構(gòu)。了解羽煙結(jié)構(gòu)是分析羽煙紅外輻射的重要途徑。羽煙結(jié)構(gòu)的研究是一個比較復雜的課題。通常以工作在低空的火箭發(fā)動機以液體推進劑為燃料的羽煙結(jié)構(gòu)為典型羽煙結(jié)構(gòu)模型，以發(fā)動機噴口出口平面為參考面。出口有一個不受干擾的錘形區(qū)，錘形區(qū)內(nèi)的物質(zhì)是勻質(zhì)的，溫度最高且等溫。錘形區(qū)外就與大氣混合，經(jīng)過一定距離后才出現(xiàn)二次燃燒區(qū)。當火箭工作高度超過設計值時，噴嘴出口處由于環(huán)境壓力變小而逐漸膨脹，錘形區(qū)外部迅速擴大，溫度也急劇下降，它的變化可用圖3.18表示。

有趣的是，羽煙內(nèi)固態(tài)微粒按它們的大小分布。一般粒子半徑在幾微米量級上，但半徑大小變化范圍會超過一個數(shù)量級。羽煙的遠場等溫線分布圖如圖3.19所示。圖3.18不同高度錘形區(qū)變化的示意圖圖3.19羽煙的遠場等溫線分布圖圖3.19中，右邊虛線所表示的等溫線是羽煙內(nèi)半徑為0.79μm粒子流所形成的。而左邊實線則是由半徑為2.94μm的粒子流形成的。半徑為0.79μm的粒子流形成的羽煙近場等溫線如圖3.20所示。圖中，x/rn從32左右開始發(fā)生大量的二次燃燒，使溫度驟然升高，比噴口出口處溫度要高一倍多。圖3.20半徑為0.79μm的粒子流形成的羽煙近場等溫線圖

(3)羽煙的紅外輻射。

由于羽煙內(nèi)存在大量粒子，羽煙的光譜分布是在高溫粒子輻射和散射的連續(xù)譜上疊加分子帶光譜組成的。表3.7給出了通常燃燒產(chǎn)物的主要輻射帶的中心波長。

因為粒子的直徑與紅外波長在同一量級上，所以嚴格地講粒子的輻射不能看做是灰體輻射，而應該視為粒子散射。含鋁固體推進劑火箭的近場光譜分布見圖3.21。從圖中可以明顯看到羽煙中粒子輻射和散射的連續(xù)譜(虛線)對整個輻射起了很大作用。表3.7燃燒產(chǎn)物的主要輻射帶的中心波長

圖3.21火箭近場光譜分布圖

2.重返大氣層的再入段導彈

重返大氣層的再入段導彈的紅外輻射由四部分組成：

·導彈頭部與空氣摩擦產(chǎn)生的熱；

·原來熱的表面；

·由熔蝕物形成的導彈外部的一層外套；

·尾流熱空氣形成軌跡。在紅外光譜區(qū)，第二、第三種熱占主要部分；在輻射可見光和紫外光譜區(qū)，以被加熱的空氣為主。再入段導彈的表面溫度常常接近或超過2500K。對來自熔蝕粒子的紅外輻射很難進行精確計算，因為在實驗室模擬時，在熔蝕過程中很難確定熔蝕速率和熔蝕粒子的大小，但是卻能從尾流的化學成分分析中知道在尾流中熔蝕粒子有沒有達到足以影響輻射值的程度。經(jīng)過大量測試發(fā)現(xiàn)，用一定純度有機材料做的外層套的熔蝕粒子沒有達到上述水平，而所有其他材料(如酚醛族類、硅酸鹽族類)先與空氣進行接觸，會產(chǎn)生很強的輻射，其波段為可見光和紫外。進一步升溫可以發(fā)現(xiàn)CO、CO2、H2O熔蝕產(chǎn)物的分子輻射。這些輻射的譜分布與導彈燃料燃燒產(chǎn)物的光譜輻射分布一樣，但是大小要低幾個量級。再入段物體紅外輻射的計算是極其復雜的，下面給出計算步驟。為了計算高超音速物體周圍的氣動流體力學，首先要了解物體形狀。如果物體是圓頭的，如圖3.22所示，那么邊界層加熱的空氣來自圖中A1區(qū)隔開的空氣。過熱空氣產(chǎn)生的激波的法線通常垂直于物體表面。A1區(qū)溫度往往高達好幾千K，A2區(qū)要略低一些。如果物體頭部尖而細長，則A1區(qū)變得越來越小直至消失。雖然現(xiàn)代技術已發(fā)展到可以建立各種條件下的空氣動力學模型，但是不同高度處由于空氣密度和組分不同，應用方法也將隨之改變。因此對再入段導彈輻射特性的分析顯得格外復雜。邊界層流體性質(zhì)確定之后，物體表面受高溫空氣的對流和傳導影響而加熱的參數(shù)也就建立了。每種狀況的數(shù)學關系也可以建立，關系式中主要包括大氣密度、物體熱導率、最外層保護套在再入段各高度上受熱特點和熱力學性質(zhì)等。經(jīng)過這些計算可得出物體表面的熱分布圖。為了把計算得到的熱圖轉(zhuǎn)換成物體表面的紅外輻射值，必須把熱圖劃成幾個等溫區(qū)，每一個區(qū)在給定方向的輻射值就可以計算出來了。其輻射率往往取0.9左右，而且表面一般都被認為是朗伯體，這樣再入段物體的輻射角分布曲線也就可以作出來了。圖3.22再入段導彈周圍結(jié)構(gòu)圖

3.飛機

噴氣式飛機主要有四個紅外輻射部分：

·透平發(fā)動機罩和尾噴管的紅外輻射。

·排出廢氣的紅外輻射。

·蒙皮的氣動加熱紅外輻射。

·反射太陽等外部輻射源的紅外輻射。

圖3.23為幾個輻射部分示意圖。當飛機速度為1.2Ma(馬赫數(shù))時，各種輻射的光譜分布及相對輻射見圖3.24。圖3.23飛機輻射部分示意圖圖3.24噴氣飛機在90°方位角、速度為1.2Ma飛行時，各種輻射的光譜分布及相對輻射本節(jié)討論的是軍用飛機，它們與民航飛機相比具有更大的動力。飛機的最主要紅外源是發(fā)動機罩和尾噴管部分。這兩部分的金屬一般可看做具有高輻射率的灰體。從飛機后側(cè)向看，紅外輻射呈現(xiàn)較強分布，對著尾向看還能發(fā)現(xiàn)可見的內(nèi)部燃燒的火焰，然而輻射強度很快跌落，從迎頭看這部分輻射幾乎全部擋住。在排出的羽煙廢氣中，由于航空汽油燃燒的產(chǎn)生物為水分子和二氧化碳分子，因此主要輻射發(fā)生在2.7μm附近的二氧化碳分子和水分子光譜帶及4.3μm附近的二氧化碳光譜帶。圖3.25給出了飛機紅外輻射強度角分布示意圖。圖3.25飛機紅外輻射強度角分布示意圖圖中A為沒有二次燃燒，而B為有二次燃燒的光強角度分布圖。人們觀察、跟蹤飛機都是在較遠距離上進行的，廢氣中水分子和二氧化碳分子的光譜輻射又遇到了傳輸途中大氣中的水分子和二氧化碳分子的強烈吸收，因此實際上影響羽煙輻射的水分子和二氧化碳分子吸收帶的兩側(cè)會有一些較強輻射。十分典型的例子是二氧化碳4.3μm吸收峰附近出現(xiàn)了兩個相對強峰——藍峰和紅峰，如圖3.26所示。人造衛(wèi)星上的光譜儀通過對這兩個峰的光譜探測，可發(fā)現(xiàn)機群的航跡和航向。圖3.26噴氣發(fā)動機廢氣的相對輻射譜曲線飛機蒙皮的氣動加熱，主要與飛機速度、飛行高度及飛行時間有關。當飛機的速度低于0.8Ma時，飛機蒙皮的氣動加熱所能達到的溫度較低，這部分紅外輻射與發(fā)動機罩、噴口以及尾氣輻射相比往往略去不計。然而當飛機的速度增加，蒙皮的溫度將與速度成平方關系上升，此時的紅外輻射將變得越來越重要了。在12300m高空，熱平衡時蒙皮的表面溫度T(單位為K)與速度的關系可從以下的經(jīng)驗公式得到:

T＝216.7(1＋0.164M2)

(3-2)

其中，M為飛機的馬赫數(shù)。表3.8為戰(zhàn)斗機和轟炸機綜合單位立體角0.7～12μm紅外輻射強度。表3.8幾種飛機在不同狀態(tài)下的0.7~12μm紅外輻射強度

4.地面上運動(工作)的軍事目標源

地面上運動或工作的軍事目標主要是指坦克、裝甲車及人等，作戰(zhàn)時對方通過儀器和設備發(fā)現(xiàn)并跟蹤對象，因此它們的紅外輻射也是需要關注的。在充分了解這些軍事目標的紅外輻射特性，包括紅外光譜和空間角分布的基礎上，攻擊一方可以利用這些特性制造出諸如紅外制導反坦克導彈等武器；而防御一方卻可以通過采用諸如偽裝、隱身技術、光譜轉(zhuǎn)換技術或無源干擾等手段，掩蓋、轉(zhuǎn)移、遮擋自己平臺的紅外輻射特征，免受或降低被對方摧毀的概率。要了解和分析地面上運動軍事目標的紅外輻射往往有兩個途徑：其一是通過了解溫度分布及表面材料輻射率并假定它們是一個灰體，經(jīng)過不太復雜的理論計算就可得到該輻射源的紅外輻射參數(shù)，如有必要還要進行大氣傳輸修正、背景輻射的修正；其二是利用各種儀器設備進行近場、遠場測試，必要時對測試結(jié)果加上大氣傳輸理論修正，也可得到所需紅外輻射參數(shù)。這些方法和技術十分成熟，但應當指出的是，不論哪一種方法得到結(jié)果，在實際運用中都應考慮目標運動及它所處環(huán)境的實際情況。例如，坦克在全速行進時，由于功率變得很大，排氣口溫度突然升高，坦克兩邊的紅外輻射相差很大。測試時坦克的狀態(tài)與作戰(zhàn)時坦克的狀態(tài)可能大不一樣。又例如，坦克大部分表面蒙上了一層泥或灰，則此時坦克的紅外輻射和對陽光的反射率就不是鋼鐵的輻射率和反射率了，而是泥或灰的輻射率和反射率。再比如，快速行進中的坦克在其后方形成一片揚塵區(qū)，揚塵區(qū)本身對紅外有很大的衰減，尤其是坦克群作戰(zhàn)時，前面坦克掀起的揚塵，對后面坦克群是一個很好的掩護。美國利用這一原理，設計并在坦克上安裝了一個設備，該設備的作用是當坦克行進在泥沙地段時，從地上挖取適量沙土，經(jīng)篩、濾、研粉、干燥等工序把泥沙變?yōu)榱絻H幾微米的微粒，然后在高壓氣體作用下向左右兩側(cè)前方噴出，使坦克三面處在被大量懸浮粒子包圍的狀態(tài)之中，對可見光、紅外、激光制導武器是一種極好的干擾手段。表3.9給出了幾種坦克、裝甲運兵車和人在0.7～12μm內(nèi)的每球面度的紅外輻射強度。表3.9幾種目標在0.7～12μm范圍內(nèi)的紅外輻射強度

續(xù)表3.2光輻射的探測技術

對于光電偵察系統(tǒng)來說，能否迅速、準確、靈敏地探測并截獲系統(tǒng)周圍的光輻射是判斷其性能是否優(yōu)良的關鍵，也是它能否完成作戰(zhàn)使命的關鍵。因此，要選擇性能優(yōu)良的光輻射探測/截獲光電系統(tǒng)。光輻射的探測/截獲實際上就是通過探測器將攜帶待測目標信息的光輻射轉(zhuǎn)換為電信號，供電子系統(tǒng)進一步處理、檢測、控制和輸出。而光輻射探測器(簡稱光探測器)是光電系統(tǒng)中實現(xiàn)光輻射探測/截獲的核心部件，其種類很多，目前應用最多的是光電探測器和熱電探測器兩大類。光輻射探測器的性能直接決定著光電偵察系統(tǒng)對光輻射的探測和截獲的能力。3.2.1光電探測的物理效應

當光入射到某些半導體上時，光子(或者說電磁波)與物質(zhì)中的微粒產(chǎn)生相互作用，引起物質(zhì)的光電效應和光熱效應。在這種效應里實現(xiàn)了能量的轉(zhuǎn)換，把光輻射的能量變成了其他形式的能量，光輻射所帶的信息也變成了其他能量形式(電、熱等)的信息。通過對這些信息(如電信息、熱信息等)進行檢測，也就實現(xiàn)了對光輻射的探測。凡是能把光輻射能量轉(zhuǎn)換成一種便于測量的物理量的器件都叫做光探測器。從近代測量技術來看，電量不僅是測量最方便，也是最精確的物理量，所以，大多數(shù)光探測器都是直接或間接地把光輻射能量轉(zhuǎn)換成電量來實現(xiàn)對光輻射的探測。這種把光輻射能量轉(zhuǎn)換為電量(電流或電壓)來測量的探測器稱為光電探測器。因此，了解光輻射對光電探測器產(chǎn)生的物理效應是了解光探測器工作原理的基礎。

光電探測的物理效應可以分為三大類：光電效應、光熱效應和波相互作用效應，并以光電效應應用最為廣泛。光電效應是入射光的光子與物質(zhì)中的電子相互作用并產(chǎn)生載流子的效應。事實上，此處我們所指的光電效應是一種光子效應，也就是單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子直接作用的一類光電效應。根據(jù)效應發(fā)生的部位和性質(zhì)，習慣上又將其分為外光電效應和內(nèi)光電效應。外光電效應是指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，主要包括光陰極直接向外部放出電子的現(xiàn)象，典型的例子是物質(zhì)表面的光電發(fā)射；內(nèi)光電效應指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，特別是半導體內(nèi)部載流子產(chǎn)生的光電轉(zhuǎn)換效應，主要包括光電導效應與光伏效應。光電效應類探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)發(fā)生改變，即光子能量的大小直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小，因而這類探測器受波長限制，存在“紅限”——截止波長λc，其表達式為

(3-3)

式中：c為真空中的光速；E在外光電效應中為表面逸出功，在內(nèi)光電效應中為半導體禁帶寬度;h為普朗克常量，h=6.6×10-34J/s。光熱效應是物體吸收光，引起溫度升高的一種效應。探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度的上升，并進一步使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。探測體常用Pt、Ni和Au等金屬，還可用熱敏電阻、熱釋電器件、超導體等。光熱效應與單光子能量hv的大小沒有直接關系。原則上，光熱效應對光波波長沒有選擇性，但由于材料在紅外波段的熱效應更強，因而光熱效應廣泛用于對紅外輻射，特別是長波長的紅外線的測量，許多激光功率計常用這種類型的探測器。由于溫升是熱積累的作用，因此光熱效應的速度一般比較慢，而且易受環(huán)境溫度變化的影響。波相互作用效應是指激光與某些敏感材料相互作用過程中產(chǎn)生的一些參量效應，包括非線性光學效應和超導量子效應等。

1.外光電效應——光電發(fā)射效應

金屬或半導體受光照時，若入射光子能量hν足夠大，它就和物質(zhì)當中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應，也稱外光電效應。能產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體稱為光電發(fā)射體，在光電管中又稱之為光陰極。光電發(fā)射效應的能量關系由著名的愛因斯坦方程描述，即

Ek=hν-Ec

(3-4)

式中：，表示光電子離開發(fā)射體表面時的動能，

m為電子質(zhì)量，v為電子離開時的速度，h為普朗克常量，

hν為光子能量，Ec為光電發(fā)射體的功函數(shù)。該式的物理意義是：如果發(fā)射體內(nèi)的電子所吸收的光子能量hν大于發(fā)射體的功函數(shù)Ec，那么電子就能從發(fā)射體表面逸出，并且具有相應的動能。由此可見，光電發(fā)射效應產(chǎn)生的條件是

(3-5)

用波長λ表示時有

(3-6)式中：ν、νc和λc分別稱為產(chǎn)生光電發(fā)射的入射光波的頻率、截止頻率和截止波長。注意到

h=6.6×10-34J·s=4.13×10-15eV·s

c=3×1014μm/s

則有

(3-7)

式中：λc的單位為μm。由式(3-5)可見，當ν=νc時，電子剛好能逸出表面但動能為零，即靜止在發(fā)射體表面上；當ν<νc時，無論光強有多大，照射時間有多長，都不會有光電子發(fā)射。因此，要使頻率較小的光輻射產(chǎn)生光電效應，發(fā)射體的功函數(shù)Ec必須較小。

2.內(nèi)光電效應

內(nèi)光電效應主要包括光電導效應和光伏效應兩種。

(1)光電導效應。光電導效應是指光照變化引起半導體材料的電導發(fā)生變化的現(xiàn)象。當光照射到半導體材料上時，材料吸收光子的能量，使得非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，從而導致材料電導率增大。

光電導效應是使用得最為廣泛的一種效應。測量材料光電導效應的電路如圖3.27所示。當光照在半導體材料上時，流過負載電阻的電流將發(fā)生變化，這種變化可以通過測量負載電阻兩端的電壓來觀察。圖3.27光電導效應的測量電路在外電場作用下，載流子產(chǎn)生漂移運動，漂移速度v和電場E之比定義為載流子遷移率μ，即有

(3-8)式中：U為外電壓，L為電壓方向半導體的長度,μN和μP分別表示電子和空穴載流子的遷移率，其單位符號是cm2/(V·s)。載流子的漂移運動效果用半導體的電導率σ來描述，定義為

σ=enμN+epμP

(3-9)

式中：e為電子電荷量，n和p分別表示熱平衡電子濃度和空穴濃度，單位為(Ω·cm)-1。如果半導體的截面積為A，則其電導(亦稱熱平衡暗電導)G為

(3-10)

式中：G的單位為S，即西門子。光電導效應可分為本征型和雜質(zhì)型兩類，如圖3.28所示。本征型光電導效應是指能量足夠大的光子使電子離開價帶躍入導帶，價帶中由于電子離開而產(chǎn)生空穴，在外電場作用下，電子和空穴參與導電，使電導增加，此時長波限條件由禁帶寬度Eg決定，即λc=hc/Eg。雜質(zhì)型光電導效應則是能量足夠大的光子使施主能級中的電子或受主能級中的空穴躍遷到導帶或價帶，從而使電導增加，此時長波限條件由雜質(zhì)的電離能Ei決定，即λc=hc/Ei。因為Ei>>Eg，所以雜質(zhì)型光電導的長波限比本征型光電導的要長得多。圖3.28光電導效應(a)本征型光電號；(b)雜質(zhì)型光電導對于本征情況，當半導體材料受光照射時，其載流子濃度發(fā)生變化，價帶中的電子吸收能量E>Eg(禁帶能量)的光子后躍遷進入導帶，同時在價帶中留下一個空穴，從而產(chǎn)生附加導電電子和導電空穴，它們統(tǒng)稱為光生載流子。由于載流子濃度增大而產(chǎn)生的電導率的改變就是光電導。

由于光照引起的電導率增量為

Δσ=e(ΔnμN-ΔpμP)

(3-11)

式中：Δn和Δp分別是電子和空穴濃度的增量，即光生載流子濃度。由此可知，光生電子和光生空穴對光電導都有貢獻。

(2)光伏效應。

如果光導現(xiàn)象是半導體材料的體效應，那么光伏現(xiàn)象則是半導體材料的“結(jié)”效應。也就是說，實現(xiàn)光伏效應需要有內(nèi)部電勢壘，當照射光激發(fā)出電子空穴對時，電勢壘的內(nèi)建電場將把電子空穴對分開，從而在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，即形成光生伏特效應。

當無光照時，由于半導體PN結(jié)區(qū)兩邊的載流子濃度不一致，便引發(fā)載流子擴散，擴散的結(jié)果在結(jié)區(qū)形成一個內(nèi)建電場。內(nèi)建電場將阻止電子繼續(xù)向P區(qū)擴散，阻止空穴繼續(xù)向N區(qū)擴散，最后使載流子的擴散運動和漂移運動相互抵消而達到平衡狀態(tài)。當光照射PN結(jié)時，只要光子能量大于材料的寬度Eg，則無論P區(qū)、N區(qū)還是結(jié)區(qū)，都會產(chǎn)生少數(shù)載流子(電子-空穴對)。那些在結(jié)附近N區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子由于存在濃度梯度而要擴散，只要少數(shù)載流子離PN結(jié)的距離小于它的擴散長度，就總有一定的概率擴散到結(jié)界面處。它們一旦到達PN結(jié)界面處，就會在結(jié)電場作用下被拉向P區(qū)。同樣，如果在結(jié)附近P區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子擴散到結(jié)界面處，也會被結(jié)電場迅速拉向N區(qū)。結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子空穴對在結(jié)電場作用下分別被移向N區(qū)和P區(qū)。如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴就積累在PN結(jié)附近，使P區(qū)獲得附加正電荷，N區(qū)獲得附加負電荷，使PN結(jié)獲得一個光生電動勢。這種現(xiàn)象稱為光生伏特效應，簡稱光伏效應，如圖3.29所示。這種光生電動勢是以光照為基礎的，一旦光照消失，光生電動勢也不復存在。如果光照時PN結(jié)是開路的，在結(jié)兩端可測出開路電壓；如果PN結(jié)外接負載形成回路，則有電流流經(jīng)PN結(jié)，方向是從N區(qū)到P區(qū)。若負載為0，測出的電流就是短路電流。圖3.29光伏效應根據(jù)選用材料的不同，可將光伏效應分為半導體PN結(jié)、PIN結(jié)、肖特基結(jié)以及異質(zhì)結(jié)勢壘等多種結(jié)構(gòu)。依據(jù)光伏效應制成的光探測器稱為光伏探測器。根據(jù)光伏探測器外加偏置與否，可分為光電二極管、三極管和光電池等。

3.光熱效應

某些物質(zhì)在受到光照射后，由于溫度變化而造成材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光熱效應。在光電效應中，光子的能量直接變?yōu)楣怆娮拥哪芰?，而在光熱效應中，光能量與晶格相互作用，使其振動加劇，造成溫度的升高。光熱效應與單光子能量的大小沒有直接關系，原則上光熱效應對光波頻率沒有選擇性。只是在紅外波段上，因材料的吸收率高，光熱效應也就更強烈，所以光熱效應廣泛用于紅外輻射探測。因為溫度升高是熱積累作用，所以光熱效應的響應速度一般較慢，而且容易受環(huán)境溫度的影響。根據(jù)光與不同材料、不同結(jié)構(gòu)的光熱器件相互作用所引起的物質(zhì)有關特性變化的情況，可以將光熱效應分為溫差電效應和熱釋電效應。

1)溫差電效應

當兩種不同的導體或半導體材料兩端并聯(lián)熔接時，如果兩個接點的溫度不同，并聯(lián)回路中就會產(chǎn)生電動勢，回路中就有電流流通，這種電動勢稱為溫差電動勢，這種現(xiàn)象稱為溫差電效應，又稱塞貝克效應。溫差電效應示意圖如圖3.30所示。圖3.30溫差電效應溫差熱電偶接收輻射的一端稱為熱端，另一端稱為冷端。為了提高吸收系數(shù)，熱端常裝有涂黑的金箔。如果把冷端分開并與一個電表連接，那么當光照半導體熱電偶熱端時，吸收光能使電偶接頭溫度升高，電表就有相應的電流讀數(shù)，電流的數(shù)值就間接地反映了光照能量的大小，這就是用熱電偶來探測光能的原理。當冷端開路時，開路電壓與溫差成正比，即

Voc=MΔT

(3-12)

式中：M稱為塞貝克系數(shù)，又稱溫差電勢率，單位為V/K；ΔT為溫度增量。實際中，為了提高測量靈敏度，常將若干個熱電偶串聯(lián)起來使用，稱為熱電堆，它在激光能量計中獲得了應用。

2)熱釋電效應

熱電晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度而變化，從而使入射光引起電容器電容改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應。熱電晶體是一種結(jié)晶對稱性很差(即具有非中心對稱性)的壓電晶體，在常態(tài)下，其某個方向上的正負電荷中心不重合，從而使晶體表面存在著一定量的極化電荷，稱為自發(fā)極化。晶體溫度的變化會引起正負電荷中心發(fā)生位移，從而引起表面極化電荷變化。溫度恒定時，因晶體表面吸附有來自于周圍空氣的異性電荷，所以觀察不到自發(fā)極化現(xiàn)象；溫度變化時，晶體表面的極化電荷發(fā)生變化，而周圍吸附的自由電荷對面電荷的中和作用十分緩慢，一般在1～1000s量級，難以跟上溫度變化導致的極化電荷變化的速度，因而晶體表面電荷失去平衡，自發(fā)極化現(xiàn)象得以顯示。但這種溫度變化對應的面電荷變化過程僅發(fā)生在平均作用時間內(nèi)。即

(3-13)

式中：ε為晶體介電常量，σ為晶體電導率。可見，這種輻射探測方法僅適用于變化的輻射，且輻射調(diào)制頻率必須大于1/τ。熱釋電效應示意圖如圖3.31所示，圖中Tc為熱電體的居里溫度。由圖可知，晶體的自發(fā)極化矢量Ps是溫度T的函數(shù)，T升高，Ps減小。當T>Tc時，自發(fā)極化突然消失。即在溫度Tc以下，才有熱釋電現(xiàn)象。圖3.31熱釋電效應設晶體的自發(fā)極化矢量Ps的方向垂直于晶體表面，則輻射引起的表面極化電荷變化為

(3-14)

式中：A為接收輻射面與另一面的重合部分面積，ΔT為輻射引起的晶體溫度變化，稱為熱釋電系數(shù)。如果把熱釋電體放進一個電容器極板之間，并將一個電流表與電容器極板連接，電流表中就會有電流流過，該電流稱為短路熱釋電流,即

(3-15)

可見，當照射光恒定不變時，Ps與T均為恒值，熱釋電流為零。所以熱釋電探測器是一種交流或瞬時響應的器件。

4.光電轉(zhuǎn)換定律

光電探測器在實際應用時，入射光輻射能量，輸出光電流。這種把光輻射能量轉(zhuǎn)換為光電流的過程稱為光電轉(zhuǎn)換。如果入射光輻射的單色光功率為P(t)，頻率為ν，即單光子的能量為hν，光電流i(t)是光生電荷Q的變量，則有

(3-16)

(3-17)式中：n光和n電分別表示光子數(shù)和電子數(shù)，E表示入射光能量，式中所有變量都應理解為統(tǒng)計平均值。i(t)與P(t)的基本關系有

i(t)=DP(t) (3-18)

式中：D是一個比例因子，稱為光電探測器的光電轉(zhuǎn)換因子。把式(3-16)和式(3-17)代入式(3-18)可得到

(3-19)式中

(3-20)

η稱為光電探測器的量子效率，它表示探測器吸收的光子數(shù)和激發(fā)的電子數(shù)之比，它是探測器物理性質(zhì)的函數(shù)。由式(3-18)和式(3-19)可以得到

(3-21)

這就是基本的光電轉(zhuǎn)換定律。它告訴我們：

(1)光電探測器對入射光功率有響應，響應量是光電流。因此，一個光電探測器可視為一個電流源。

(2)因為光功率P正比于光電場的平方，所以常常把光電探測器稱為平方律探測器。因此，光電探測器是一個非線性器件。3.2.2光探測器的性能參數(shù)和噪聲

1.光探測器的性能參數(shù)

光探測器和其他器件一樣，有一套根據(jù)實際需要而制定的性能參數(shù)。依據(jù)這一套參數(shù)，人們就可以評價探測器性能的優(yōu)劣，比較不同探測器之間的差異，從而達到根據(jù)需要合理選擇和正確使用光探測器的目的。因此，正確理解各種性能參數(shù)的物理意義是十分重要的。

1)靈敏度

靈敏度也常稱為響應度，它是表示探測器的光電轉(zhuǎn)換特性、光電轉(zhuǎn)換的光譜特性以及頻率特性的量度。定義電壓靈敏度Ru為探測器輸出信號電壓(均方根值)Us與輸入光功率(均方根值)P之比，即

(3-22)

式中，Ru的單位為V/W。定義電流靈敏度Ri為探測器輸出信號電流(均方根值)Is與輸入光功率(均方根值)P之比，即

(3-23)

式中，Ri的靈敏度單位為A/W。

由于式中的光功率P一般是指分布在某一光譜范圍內(nèi)的總功率，因此，這里的Ru和Ri又分別稱為積分電壓靈敏度和積分電流靈敏度。

2)光譜靈敏度

由于入射輻射的波長不同，因此光探測器的靈敏度也不同。靈敏度隨波長而變化，這一特性稱為光輻射探測器的光譜靈敏度，通常以靈敏度隨波長變化的規(guī)律曲線來表示。有時只取靈敏度的相對比值，且把最大的靈敏度取為1，這種曲線稱為歸一化光譜靈敏度曲線。

3)頻率響應和響應時間

頻率響應是描述光探測器的靈敏度在入射光波長不變時隨入射光調(diào)制頻率而變化的特性。光探測器的頻率響應定義為

(3-24)

式中：Rf表示頻率為f時的靈敏度;R0為頻率為零時的靈敏度;τ為光探測器的響應時間，由材料、結(jié)構(gòu)和外電路決定。一般規(guī)定，Rf下降到時的頻率fc為探測器的截止響應頻率或響應頻率。由式(3-24)有

(3-25)

光探測器的響應時間是表示光輻射到探測器上所引起的響應快慢。在測量過程中，被測的光輻射如果是一個穩(wěn)定的量或變化很緩慢的量，那么探測器的響應時間并不影響測量結(jié)果的正確性，可不考慮響應速度;但如果被測光輻射的大小是一個變化很快的量，那么為了真實反映被測光輻射的大小及其變化規(guī)律，探測器的響應時間必須短于光輻射變化的時間。

4)量子效率

光探測器的量子效率定義為每一個入射光子所釋放的平均電子數(shù)。如果P是入射到探測器上的光功率，Ic是入射光產(chǎn)生的光電流，則P/hν表示單位時間入射光子平均數(shù)，Ic/e表示單位時間產(chǎn)生的光電子平均數(shù)，e為電子電荷，利用式(3-21)可得量子效率η

(3-26)對于理想的光探測器，η=1，即一個光子產(chǎn)生一個光電子，但實際的光探測器的η<1。顯然，光探測器的量子效率越高越好。對于光電倍增管、雪崩光電二極管等有內(nèi)部增益機制的光探測器，η可大于1。

5)噪聲等效功率NEP

在實際應用中，當探測器上的輸入為零時，輸出端仍有一個極小的輸出信號。這個輸出信號來源于探測器本身，這就是探測器的噪聲，它隨探測器本身的材料、結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境溫度等因素而變化。

由于噪聲的存在，探測器的最小可探測功率受到了限制。為此引入等效噪聲功率NEP來表征探測器的最小可探測功率。它定義為信噪比為1，即當輸出信號電壓Us(或輸出信號電流Is)等于探測器輸出噪聲電壓Un(或輸出噪聲電流In)時的入射光功率。當信噪比為1時，很難探測到信號。所以一般在信號電平下測量信噪比，再由下式計算噪聲等效功率:

(3-27)

或

(3-28)式中各量均取有效值，NEP單位為瓦(W)。NEP越小，探測器的探測能力越強。

由于噪聲頻譜很寬，為減小噪聲的影響，一般將探測器后面的放大器做成窄帶通的，其中心頻率選為調(diào)制頻率。這樣，信號不受損失，而噪聲可以濾去，從而使NEP減小。在這種情況下，通常定義噪聲等效功率NEP為

(3-29)或

(3-30)

式中：Δf為放大器帶寬，因噪聲功率與帶寬成正比，而噪聲電壓(或電流)與帶寬的平方根成正比，所以引進因子

，此時NEP單位為。

6)歸一化探測度

探測器的探測能力由NEP決定，NEP越小越好。這不符合人們希望參量的數(shù)值越大越好的習慣，于是定義NEP的倒數(shù)為探測器的探測度D(即單位入射功率產(chǎn)生的信噪比)，即

(3-31)理論分析和實驗結(jié)果表明，NEP還與探測器接收光的面積的平方根成正比。為了便于不同探測器間的性能比較，把式(3-29)或式(3-30)所定義的NEP除以，得到一個與面積無關的參量D*，稱為歸一化探測度，即

(3-32)或

(3-33)

D*

和NEP一樣，都是波長的函數(shù)。由于噪聲通常和信號調(diào)制頻率有關，因此它也是調(diào)制頻率及測量帶寬的函數(shù)。

2.光探測器的噪聲

任何一個探測器，都有一定的噪聲。也就是說，攜帶信息的信號在傳輸?shù)母鱾€環(huán)節(jié)中不可避免地受到各種干擾而使信號發(fā)生某種程度的畸變，在它的輸出端總是存在著一些毫無規(guī)律、事先無法預知的電壓起伏。通常把這些非有用信號的各種干擾統(tǒng)稱為噪聲，噪聲是限制檢測系統(tǒng)性能的決定性因素。實現(xiàn)微弱光信號的探測，就是從噪聲中提取信號的過程。

依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光探測器的噪聲大致分為散粒噪聲、產(chǎn)生復合噪聲、光子噪聲、熱噪聲和低頻噪聲等。

1)散粒噪聲

光電發(fā)射材料表面光電子的隨機發(fā)射或半導體內(nèi)光生載流子的隨機產(chǎn)生和流動，引起探測器輸出電流的起伏，這種由光激發(fā)載流子的本征擾動產(chǎn)生的電流起伏稱為散粒噪聲，又稱量子噪聲。這是許多光電探測器，特別是光電倍增管和光電二極管中的主要噪聲源。散粒噪聲的表達式為

(3-34)

式中：In為噪聲電流，e為造成電流流動的粒子帶的電荷，i為探測器的暗電流，Δf為測量帶寬。

2)產(chǎn)生復合噪聲

在沒有光照的情況下，在半導體體內(nèi)的平衡過程實際上是一種動態(tài)平衡過程。由于載流子的產(chǎn)生、復合過程的隨機性，自由載流子濃度總是圍繞其平均值漲落，引起電導率的起伏，因而導致外回路電流或電壓的起伏。這種由體內(nèi)的光生載流子隨機產(chǎn)生和復合的過程所引起的噪聲稱為產(chǎn)生復合噪聲。產(chǎn)生復合噪聲電流Igr的表達式為

(3-35)

式中：M為光電導探測器的內(nèi)增益。

3)光子噪聲

當用光功率恒定的光照射探測器時，由于光功率實際上是光子數(shù)的統(tǒng)計平均值，每一瞬時到達探測器的光子數(shù)是隨機的，因此光激發(fā)的載流子一定也是隨機起伏的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。因為這里強調(diào)光子起伏，故稱此噪聲為光子噪聲。不管是信號光,還是背景光都要伴隨著光子噪聲。對于光電發(fā)射和光伏情況，光子噪聲電流的表達式為

(3-36)

(3-37)

式中：Iab、Ias分別表示背景光和信號光產(chǎn)生的光子噪聲電流，ib、is分別表示背景光和信號光引起的光電流。對于光電導情況，光子噪聲電流的表達式為

(3-38)

(3-39)

式中：Iab,gr和Iar,gr分別表示光電導情況下背景光和信號光產(chǎn)生的光子噪聲電流，M表示探測器的內(nèi)增益。

4)熱噪聲

由于光電探測器有一個等效電阻R，電阻中自由電子的隨機運動，將引起電壓起伏，即形成所謂的熱噪聲。理論上給出有效熱噪聲電壓Un和電流In分別為

(3-40)

(3-41)

式中：k為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學溫度。

5)低頻噪聲

幾乎所有的探測器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約1kHz以下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲或1/f噪聲。這種噪聲產(chǎn)生的原因目前還不十分清楚，但實驗發(fā)現(xiàn)，探測器表面的工藝狀態(tài)(缺陷或不均勻等)對這種噪聲的影響很大。1/f噪聲的經(jīng)驗規(guī)律為

(3-42)式中：A為與探測器有關的系數(shù)，i為流過探測器的總直流電流，α≈2，β≈1。于是

(3-43)

一般來說，只要限制低頻調(diào)制頻率不低于1kHz，就可防止產(chǎn)生這種噪聲。3.2.3光電探測方式

光輻射的探測是將光波中的信息提取出來的過程。這里光是信息的載體，把信號加載于光波的方法有多種，如強度調(diào)制、幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制。從原理上來說，強度調(diào)制、幅度調(diào)制和偏振調(diào)制(可以很容易地轉(zhuǎn)化為強度調(diào)制)可以直接由光電探測器解調(diào)，因而稱為直接探測方式；頻率調(diào)制和相位調(diào)制則必須采用光外差(相干)探測的方法解調(diào)。在直接探測方式中，光波直接輻射到光電探測器光敏面上，光電探測器響應于光輻射強度而輸出相應的電流或電壓，然后送入信號處理系統(tǒng)，就可以再現(xiàn)原信息。直接探測是一種簡單又實用的方法，但是它只能探測光輻射的強度及其變化，會丟失光輻射的頻率和相位信息。光外差探測的原理和無線電波外差接收的原理完全一樣，其中必須有兩束滿足相干條件的光束。在光外差探測方式中，光電探測器起著光學混頻器的作用，它響應信號光與本振光的差頻分量，輸出一個中頻光電流。由于探測量是利用信號光和本振光在光探測器光敏面上干涉得出的，因而外差探測又稱為相干探測。外差探測利用光場的相干性可實現(xiàn)對光輻射的振幅、強度、相位和頻率的測量。

1.直接探測

光電探測器的基本功能就是把入射到探測器上的光功率轉(zhuǎn)換為相應的光電流，即

因此，只要待傳遞的信息表現(xiàn)為光功率的變化，利用光電探測器的這種直接光電轉(zhuǎn)換功能就能實現(xiàn)信息的解調(diào)。這種探測方式通常稱為直接探測，如圖3.32所示。光輻射信號通過光學透鏡天線、光學帶通濾波器入射到光電探測器表面；光電探測器將入射的光子流變換成電子流，其大小正比于光子流的瞬時強度，然后經(jīng)過前置放大器對信號進行處理。由于光電探測器只響應光波功率的包絡變化，而不響應光波的頻率和相位變化，因此直接探測方式也稱光包絡探測或非相干探測。圖3.32直接探測系統(tǒng)

1)光電探測器平方律特性

假定入射信號光場為Ec=Accosωt，這里Ac是信號光場振幅，ωc是信號光頻率，則平均光功率為

(3-44)

光電探測器的輸出光電流為

(3-45)式中：表示光場的時間平均值，α為光電變換系數(shù)，即

這里，η為量子效率。若光電探測器的負載為RL，則光電探測器的輸出電功率為

(3-46)

此式表明，光電探測器的平方律特性包含兩個方面：一是光電流正比于光場振幅的平方，二是光電探測器的電輸出功率正比于入射光功率的平方。如果入射光是調(diào)幅波，即這里d(t)為調(diào)制信號，則探測器輸出光電流為

(3-47)

式(3-47)表明，光電流表達式中的第一項代表直流項，第二項為信號的包絡波形。

2)直接探測系統(tǒng)的信噪比

一個直接探測系統(tǒng)的探測性能好壞要根據(jù)信噪比來判斷。

設輸入光電探測器的信號光功率為si，噪聲功率為ni，光電探測器的電輸出功率為so，輸出噪聲功率為no，則總的輸入功率為(si+ni)，總的輸出電功率為(so+no)。根據(jù)光電探測器的平方律特性，有如下關系:

(3-48)式中：，為常數(shù)?？紤]到信號和噪聲的獨立性，應有

(3-49)

(3-50)

根據(jù)信噪比的定義，光電探測器的輸出信噪比為

(3-51)由此可見，輸出噪聲包括兩項：n2i是噪聲分量之間的差拍結(jié)果，2sini是信號和噪聲之間的差拍結(jié)果。

若輸入信噪比，則有。此式說明，當輸入信噪比小于1時，輸出信噪比更小于1，而且下降得更明顯。因此，直接探測方式不適宜于輸入信噪比小于1或者微弱光信號的探測。在實際應用中，在光頻區(qū)只有背景輻射進入探測器，并且只有背景輻射功率大于信號功率時，才能使輸入信噪比小于1，故欲提高探測器的輸出信噪比，主要在于排除背景光的進入。但探測器的光譜響應很寬，不能鑒別出信號光和背景光，它只能截獲到達其靈敏面上的光子,而對光子的相位、偏振沒有特殊要求。因此，為了減小背景噪聲，在探測器之前必須增添一帶通濾光器，只允許與信號光頻率相當?shù)谋尘肮庾舆M入而濾除其他頻率的背景光子。從空間方向上減小背景噪聲的辦法是減小光學天線的接收視場和采用空間濾波技術。若輸入信噪比，則有。此式說明，當輸入信噪比大于1時，輸出信噪比等于輸入信噪比的一半，光電轉(zhuǎn)換后信噪比損失不大，在實際應用中完全可以接受。因此，直接探測方式最適合于強光信號探測。這種方法比較簡單、易于實現(xiàn)、可靠性高、成本低，在實際中得到廣泛的應用。在直接探測方式中，當光信號功率比較小時，光電探測器的電信號輸出也相應較小。為了信號處理、顯示的需要，必須加前置放大器。但是，放大器的引入對探測系統(tǒng)的靈敏度或探測系統(tǒng)的輸出信噪比有一定影響，因為放大器不僅放大有用信號，對輸入噪聲也同樣放大，而且放大器本身還要引入新的噪聲。因此，為使探測系統(tǒng)保持一定的輸出信噪比，合理設計前置放大器就非常重要。在光電探測技術中，為了充分利用光電探測器的靈敏度，在設計放大器時，總是先滿足噪聲指標要求，然后再考慮增益、帶寬等技術要求。

2.外差探測

激光的高度相干性、單色性和方向性，使光頻段的外差探測成為現(xiàn)實。光外差探測與無線電波外差接收方式的原理相同，因而同樣具有無線電波外差接收方式的選擇性好、靈敏度高等一系列優(yōu)點。就探測而論，只要波長能匹配，則外差和直接探測所用探測器原則上可通用。光外差探測的主要問題是系統(tǒng)復雜，而且波長愈短，實現(xiàn)外差就愈困難。

1)光外差探測的基本原理

光外差探測系統(tǒng)如圖3.33所示。與直接探測系統(tǒng)相比較，多了一個本振激光器。其工作過程如下：待探測的頻率為ωc的光信號和由本振激光器輸出的頻率為ωd的參考光，都經(jīng)有選擇性的分束器入射到光探測器表面而相干疊加(混頻)，因為探測器僅對其差頻(ωIF=ωc-ωd)分量響應，故只有頻率為ωIF的射頻電信號(包括直流分量)輸出，再經(jīng)過放大器放大，由射頻檢波器進行解調(diào)，最后得到有用的信號信息。圖3.33光外差探測系統(tǒng)假定相同方向、相同偏振的信號光束和本振激光垂直照射到探測器表面，它們的電場分量可分別表示為

(3-52)

(3-53)

根據(jù)光電探測器的平方律特性，其輸出光電流為

(3-54)式中：α為一常數(shù)，方括號上的橫線表示在幾個光頻周期內(nèi)的時間平均。這是因為光電探測器的響應時間有限，光電轉(zhuǎn)換過程實際上是一個時間平均過程。將式(3-52)和式(3-53)代入式(3-54)，并經(jīng)展開后得到

(3-55)式(3-55)中,前兩項表示直流分量，最后一項是和頻項，由于其頻率ωc+ωd太高，光電探測器根本不響應，也就是說，這部分光波成分與探測器不發(fā)生相互作用。而差頻項ωIF=ωc-ωd

相對光場變化要緩慢得多，只要ωIF=2πfIF小于光電探測器的截止響應頻率fc，探測器就有相應的光電流輸出。故式(3-55)可變?yōu)?/p>

(3-56)這個光電流經(jīng)過有限帶寬的中頻(ωIF=ωc-ωd)放大器，濾去直流項，最后只剩下中頻交流分量

(3-57)

這個結(jié)果表明，光外差探測是一種全息探測技術。在直接探測中，只響應光功率的時變信息。而在光外差探測中，光頻電場的振幅Ac、頻率ωc=ωd+ωIF(ωd是已知的，ωIF是可以測量的)、相位φc所攜帶的信息均可探測出來。也就是說，一個振幅調(diào)制、頻率調(diào)制以及相位調(diào)制的光波所攜帶的信息，通過光外差探測方式均可實現(xiàn)解調(diào)。這無疑是直接探測方式所不能比擬的，但它比直接探測方式的實現(xiàn)要困難和復雜得多。若ωc=ωd，即待測光頻率與本振光頻率相等，則式(3-57)變?yōu)?/p>

(3-58)

這是外差探測的一種特殊形式，稱為零拍探測。探測器此時的輸出電流與待測光的振幅和相位成比例變化。若待測光是振幅調(diào)制(即信息包含在Ac中)，則要求本振光波與待測光波相位鎖定，即φd=φc，此時輸出信號電流最大。若待測光波是相位調(diào)制(即信息包含在φc中)，則要求本振光波φd=常數(shù)。實際上，不管是差拍光外差探測還是零拍光外差探測，要實現(xiàn)某一信息解調(diào)，保證本振光束的頻率和相位的高度穩(wěn)定是十分重要的。激光信號已經(jīng)能比較好地保證這一條件，所以，激光外差探測得到了迅速發(fā)展。

2)光外差探測的基本特性

從光外差探測的基本公式(3-37)還可看出，光外差探測具有以下優(yōu)良特性：

(1)高的轉(zhuǎn)換增益。探測器的電輸出功率為

(3-59)

式中：Pc=A2c/2、Pd=A2d/2分別為信號光和本振光的平均功率。如果以直接探測時的電輸出功率為基準，那么外差探測時所能提供的功率轉(zhuǎn)換增益G=2Pd/Pc。通常Pd>Pc，因此，外差探測能提供足夠高的增益。有效的外差探測，要求有足夠高的本振光功率。這也說明外差探測方式對弱信號探測特別有效。

(2)良好的濾波性能。在外差探測中只有那些在中頻頻帶內(nèi)的雜散光才可能進入系統(tǒng)，而其他雜散光所形成的噪聲均被中頻放大器濾除。因此，在光外差探測中，不加濾光片也比加濾光片的