激光参数测量中光导型探测器的光热效应修正方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。基于本发明专利技术的方法，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测温度与光敏元实际工作温度不一致的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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应修正方法。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案是：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(0<n<N+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,n]IB，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；[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,n]RV(Tn)。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。上述步骤中光导型探测器工作于恒流驱动模式。本专利技术具有的有益效果：1、本专利技术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。2、本专利技术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。附图说明图1为本专利技术光热效应修正步骤的流程图；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。具体实施方式本专利技术的技术思路是：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。如图1所示，本专利技术用于激光参数测量时的探测器光热修正方法具体步骤为：[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；[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，分别得到暗电阻和响应率关于温度的函数RD(T)和RV(T)。通常采用二次曲线拟合，可表示为：RD(T)=k1T2+k2T+k3，其中k1、k2、k3为拟合系数；RV(T)=k'1T2+k'2T+k3'，其中k'1、k'2、k'3为拟合系数。[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。[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)。[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(0<n<N+1)时的基线漂移量为该公式的含义是：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。...

【技术保护点】
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(0<n<N+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,n]IB，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；[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,n]RV(Tn)。...

【技术特征摘要】
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(0<n<N+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,n]IB，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张检民，冯国斌，邵碧波，杨鹏翎，陈绍武，叶锡生，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61