آشکارسازان مادون قرمز خنک کننده حساسیت برتر (NETD <15mK) و پاسخ میکروسکنید برای کاربردهای دوربرد و با دقت بالا را ارائه می دهنددر حالی که آشکارسازان صفحه فوکال (FPA) مبتنی بر میکروبولومتر خنک نشده هزینه کمتری را ارائه می دهند (1/5 ′′ 1/20 از مدل های خنک شده)این مقاله به طور سیستماتیک اصول کار آنها، معیارهای عملکرد اصلی، معیارها و معیارها را مقایسه می کند.و کل هزینه مالکیت، ارائه بینش مبتنی بر داده برای هدایت انتخاب شما بین راه حل های کشنده مادون قرمز خنک و غیر خنک.
1اصول اصلی کار: تشخیص فوتون در مقابل پاسخ حرارتی
تفاوت اساسی بین آشکارسازان مادون قرمز خنک شده و غیر خنک شده در مکانیسم های تشخیص و الزامات خنک کننده آنها است.به طور مستقیم مرزهای عملکرد و کاربرد مناسب خود را شکل می دهند.
آشکارسازان مادون قرمز خنک شده سنسورهای فوتونی مبتنی بر اثر فوتو الکتریکی هستند که از مواد نیمه هادی با فاصله باریک مانند تلورید کادمیوم جیوه (HgCdTe) ، آنتی مونید ایندیوم (InSb) ،یا فتو دتکتورهای مادون قرمز کوانتومی (QWIP)این مواد فوتون های مادون قرمز را جذب می کنند و جفت های سوراخ الکترون تولید می کنند و تابش را به سیگنال های الکتریکی با کارایی فوق العاده بالا تبدیل می کنند.برای سرکوب سر و صداهای خود حرارتی که سیگنال های فوتونی ضعیف را سرکوب می کند، آنها نیاز به خنک سازی کریوجنیک (معمولاً -196 °C از طریق خنک کننده های استرلینگ یا نیتروژن مایع) در یک ماژول خلاء Dewar دارند، که ثبات دمای پایین را برای آرایه سطح فوکال (FPA) حفظ می کند.
آشکارسازهای مادون قرمز غیر خنک شده بر روی تشخیص حرارتی از طریق آرایه های فلز مایکروبولومتر متکی هستند، که در دمای محیط بدون خنک سازی کریوژنیک کار می کنند.هر پیکسل میکروبولومتر (که از اکسید وانادیوم (VOx) یا سیلیکون بی شکل (a-Si)) ساخته شده است، اشعه مادون قرمز را جذب می کند، باعث افزایش دمای کوچک می شود که مقاومت الکتریکی را تغییر می دهد. مدار یکپارچه خواندن (ROIC) این تغییرات مقاومت را اندازه گیری می کند و آن را به تصاویر حرارتی تبدیل می کند.یک داده کلیدی مقایسه: پیکسل های میکروبولومتر دارای ثابت زمان حرارتی 812ms هستند، 10,000x آهسته تر از پاسخ در مقیاس میکرو ثانیه ای آشکارسازان فوتون خنک شده، محدود کردن برنامه های ردیابی با سرعت بالا.
2معیارهای عملکرد: حساسیت، سرعت و محدوده تشخیص
شکاف عملکرد بین آشکارسازهای مادون قرمز خنک شده و غیر خنک شده توسط حساسیت (NETD) ، سرعت پاسخ، محدوده طیف و محدوده تشخیص اندازه گیری می شود، با داده های برجسته سازگاری.
2.1 حساسیت (تفاوت دمای معادل سر و صدا، NETD)
آشکارسازان مادون قرمز خنک شده به NETD <1015mK دست می یابند و تفاوت های دمایی را تا 0.01°C تشخیص می دهند که برای شناسایی ناهنجاری های حرارتی ظریف در نظارت دوربرد یا تشخیص پزشکی ضروری است.در مقابل، FPA های میکروبولومتر بدون خنک شدن معمولاً NETD = 30 ¢ 80mK دارند (مدل های پیشرفته به < 20mK می رسند) ،کافی برای بازرسی عمومی صنعتی اما قادر به حل سیگنال های ضعیف مانند همتایان خنکداده های آزمایش میدان: در سناریوهای کم کنتراست (به عنوان مثال، پوشش جنگل) ، آشکارسازان خنک شده هدف را در فاصله 2 برابر مدل های خنک نشده به دلیل سر و صدای کمتر شناسایی می کنند.
2.2 سرعت پاسخ و سرعت فریم
آشکارسازان خنک کننده پاسخ در مقیاس میکروسکنید (1 ′′ 10μs) و نرخ فریم تا 1000 هرتز را ارائه می دهند، ایده آل برای ردیابی هدف با سرعت بالا و نظارت پویا صنعتی.میکروبولومترهای غیر خنک کننده دارای پاسخ میلی ثانیه ای (8 15ms) و نرخ فریم استاندارد 30 هستند.️60 هرتز، مستعد عدم شفافیت حرکت در صحنه های سریع️خرابی صنعتیدرس: یک شرکت لجستیک که از دوربین های خنک نشده برای بازرسی کانویر با سرعت بالا استفاده می کند، 15٪ از نقص ها را به دلیل عدم شفافیت حرکت از دست داده است، تغییر به سیستم های خنک شده کاهش یافته است.
2.3 محدوده طیف و محدوده تشخیص
آشکارسازان مادون قرمز خنک شده، باند های طیف گسترده ای (114μm) را پوشش می دهند، از جمله مادون قرمز موج متوسط (MWIR، 3 5μm) برای تشخیص هدف دمای بالا و مادون قرمز موج طولانی (LWIR،8 ¢ 12μm) برای نظارت در دمای پایین. محدوده تشخیص آنها برای اهداف به اندازه انسان به 520 کیلومتر می رسد، 3-5 برابر دورتر از آشکارسازان غیر خنک شده. میکروبولومترهای غیر خنک شده به LWIR (7.514μm) محدود می شوند،با یک محدوده تشخیص معمولی از 1-4km برای اهداف انسانی مناسب برای امنیت کوتاه تا متوسط و بازرسی ساختمان.
2.4 اندازه، وزن و مصرف برق (SWaP)
آشکارگرهای مادون قرمز بدون خنک کننده در SWaP برجسته هستند: یک FPA 400 × 300 میکروبولومتر با وزن < 50g ، مصرف < 1W (از جمله ROIC) ، و در دستگاه های جمع و جور مانند دوربین های دستی قرار می گیرد. سیستم های خنک کننده بزرگتر هستند:دتکتور، Dewar، و مجمع کریو کولر وزن 500~2,000g، مصرف 5 ~ 20W، و نیاز به 5 ~ 15 دقیقه از زمان خنک شدن قبل از کار.
3تجزیه و تحلیل هزینه: سرمایه گذاری اولیه در مقابل ارزش بلند مدت
کل هزینه مالکیت (TCO) یک عامل تعیین کننده برای انتخاب است، با آشکارساز های خنک شده 5 ٪ 20 برابر بیشتر از پیش هزینه می کنند اما در سناریوهای نگهداری کم عمر بیشتری را ارائه می دهند.در حالی که FPA های مایکروبولومتر بدون خنک کننده برای انتشار گسترده هزینه بی نظیر ارائه می دهند.
3.1 هزینه اولیه
آشکارسازان مادون قرمز خنک شده: 10،000 $ 100،000 $ + در هر واحد، توسط مواد نیمه هادی گران قیمت (HgCdTe / InSb) ، اجزای کریو کولر و بسته بندی خلاء Dewar هدایت می شود.تنها یخچال سرد 30-50٪ از کل هزینه را تشکیل می دهد.
FPAهای مایکروبولومتر بدون خنک کردن: 500$-5000$ برای هر واحد،تولید انبوه میکروبولومترهای VOx/a-Si و بسته بندی خلاء سطح وافر (WLP) که هزینه های تولید را در مقایسه با بسته بندی سنتی 60٪ کاهش می دهدداده های مقایسه: یک سیستم امنیتی با 10 دوربین بدون خنک کننده هزینه ~ $ 5،000، در حالی که یک دوربین خنک شده تنها هزینه ~ $ 20،000 4x گران تر برای یک واحد است.
3.2 هزینه های عملیاتی و نگهداری
سیستم های خنک کننده: هزینه های تعمیر و نگهداری بالا000️5000 دلار در سال) به دلیل فرسایش و ریزش کریو کولر. کریو کولر دارای MTBF (زمان متوسط بین شکست) 5 است،000️10،000 ساعت، نیاز به تعویض هر 2️سه سال
سیستم های بدون خنک کننده: هزینه های نگهداری نزدیک به صفر، بدون قطعات متحرک (بدون کریو کولر) و MTBF 50،000 ٪ 100،000 ساعت (5 ٪ 10 سال کار مداوم).جايگزين کردن باتري تنها هزينه اي است که به طور مکرر پرداخت مي شود، باعث می شود آنها برای استفاده از راه دور یا بدون سرنشین ایده آل باشند.
3.3 طول عمر و ارزش تعویض
آشکارسازان مادون قرمز خنک شده مدت عمر سنسور را 1015 سال (به استثنای کریو کولر) دارند، در حالی که میکروبولومترهای خنک نشده 812 سال نزدیک تر از آنچه اغلب درک می شود، دوام دارند.سیستم های خنک نشده از پیشرفت های سریع تکنولوژی بهره مند می شوند: FPA های جدیدتر میکروبولومتر با همان هزینه، رزولوشن بالاتر (640 × 480 در مقابل 320 × 240) و NETD پایین تری را ارائه می دهند و باعث می شود که ارتقا نسبت به سیستم های خنک شده مقرون به صرفه تر باشد.