中長波紅外探測器的特點及發(fā)展現(xiàn)狀

1. 研究背景

中波、長波紅外探測大氣穿透力強、識別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)越，是制約未來天基對地觀測、天文探測能力的關(guān)鍵技術(shù)，其對低溫、遙遠、弱目標(biāo)和低對比度目標(biāo)的探測性能決定空間紅外遙感系統(tǒng)能否探得清、看得遠。而由于天基紅外探測系統(tǒng)探測目標(biāo)的多樣化，不同任務(wù)目標(biāo)對探測器的需求也十分不同。本文梳理天基紅外探測技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)和研究進展，對中長波紅外探測器技術(shù)及其空間應(yīng)用進行綜述，基于對天基遙感應(yīng)用中地面像元分辨率(GSD)、探測距離和噪聲等效溫差(NETD)等關(guān)鍵性能指標(biāo)的綜合分析，厘清其與紅外探測器相關(guān)參數(shù)的關(guān)聯(lián)，進而具體分析像元間距、探測器NETD、探測率及工作溫度等對天基紅外遙感性能的影響。最后根據(jù)未來高分辨率、體系效能型天基遙感的發(fā)展趨勢，提出中長波紅外探測技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

2. 中長波紅外探測器的特點及發(fā)展現(xiàn)狀

紅外探測器從單元/線陣探測器(unit detector/line array)發(fā)展至今(圖1)，已成功實現(xiàn)單色焦平面陣列(single-color focal plane array，F(xiàn)PA)、雙色焦平面陣列(double-color focal plane array，F(xiàn)PA)和多色焦平面陣列(multi-color focal plane array，F(xiàn)PA)的研制和應(yīng)用。超大規(guī)格的焦平面陣列和高密度像元中心距是實現(xiàn)紅外探測系統(tǒng)超高空間分辨率的主要途徑。從單元成像到焦平面成像，探測器像元數(shù)量顯著提升，使成像體制實現(xiàn)從掃描成像到凝視成像的跨越，應(yīng)用領(lǐng)域得到拓展。當(dāng)前2k×2k(波長2.5或5.2 μm)、3k×3k(波長5.3或14.5 μm)中長波紅外探測器陣列、4k×4k(像元間距10-15 μm)短波紅外探測器陣列已在美國、法國等國家的航天、軍事等領(lǐng)域得到應(yīng)用，雷神視覺系統(tǒng)公司的1-3 μm、3-5 μm探測器規(guī)模達到4096×4096(10/15 μm像元間距)，短波探測器面陣規(guī)模達到8k×8k。整體上，紅外探測器像元間距減小至5 μm，NETD達到優(yōu)于20 mK，幀頻從1 kHz提升至10 kHz，探測波長達到甚長波，可實現(xiàn)多色和高光譜探測。

圖1 紅外探測器技術(shù)的發(fā)展和特點

由于低溫目標(biāo)輻射能量低、峰值波長更長(圖2)，因此天文觀測、天基預(yù)警等對遠距離低溫、暗弱目標(biāo)的探測需要更長的紅外波長、更高的靈敏度和探測率，需要更低的工作溫度來保證探測器性能(圖3)。當(dāng)前第三代高性能中波及長波紅外探測器主要有HgCdTe、Si:As、量子阱、II類超晶格等。HgCdTe、Si:As探測器焦平面在低溫環(huán)境下暗電流水平低，中波和長波波段探測性能優(yōu)越，多年來被廣泛用于空間對地觀測和天文應(yīng)用，但是HgCdTe探測器在大面陣和長波器件制造中面臨較大困難。量子阱探測器已被成功用于Landsat-8/9衛(wèi)星、STSS預(yù)警衛(wèi)星，但其量子效率較低，II類超晶格探測器在中長波、大面陣器件制備中具有優(yōu)勢但是量子效率低于HgCdTe，尚未有空間應(yīng)用的報道。

圖2 波長和光譜輻射強度與目標(biāo)溫度的關(guān)系

圖3 不同紅外探測器的波長、探測率和工作溫度

紅外探測器通過深低溫保障其性能，但低溫系統(tǒng)也增加了其應(yīng)用成本。隨著小尺寸、輕重量、低能耗、低價格、高性能概念(SWaP3)的提出，大規(guī)模、小型化、雙色/多色化、智能化成為新一代紅外探測器的主導(dǎo)趨勢。為降低應(yīng)用成本，研究人員近年來一直致力于新型探測器的開發(fā)：如可在150 K溫度下工作的高工作溫度(HOT)紅外探測器(p-on-n HgCdTe、P-v-NHgCdTe、XBn阻擋層InAsSb、InAs/InAsSb等);室溫工作紅外探測器(等離子體增強紅外探測器(PEIDs)、基于能帶工程的量子級聯(lián)紅外探測器(QCIDs-EBE)、帶間級聯(lián)探測器(ICDs)、低維材料紅外探測器等);可增強更寬波段范圍響應(yīng)特性的紅外探測器(基于人工光子微結(jié)構(gòu)調(diào)控的陷光結(jié)構(gòu)紅外探測器(IRAPMC)等)。盡管這些新型探測器的性能仍需提升，應(yīng)用尚面臨挑戰(zhàn)。但隨著人工微結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，有望給紅外探測器片上智能化、芯片集成帶來新的機遇，從而為空間應(yīng)用提供新的技術(shù)解決途徑。

3. 天基紅外探測系統(tǒng)及中長波紅外探測器技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

天基紅外探測利用布局在空間平臺的紅外探測傳感器進行對地觀測或天文探測。對地觀測應(yīng)用中，紅外探測可全天候工作、隱蔽性好、不易被干擾，識別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)越，具有可見光、SAR等遙感技術(shù)無法替代的作用。可應(yīng)用于海洋、測繪、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、環(huán)保、氣象、災(zāi)害探測、國防等。如，在農(nóng)業(yè)/林業(yè)中通過0.7-1.7 μm波段的天基紅外遙感，可分析作物種植面積、病蟲害探測等;通過3.6-12 μm探測可用于森林等地面火災(zāi)及過火情況分析;根據(jù)有毒氣體、污染物、甲烷、水蒸氣等對紅外的不同吸收和反射特性，紅外探測可成為氣象觀測、溫室氣體排放與擴散監(jiān)測的有效手段。因此，要求紅外探測器具有高空間分辨率、高靈敏度、較低的噪聲和較寬的探測波段范圍。

國防應(yīng)用中利用天基平臺優(yōu)勢，可彌補地面雷達系統(tǒng)由于受地球曲率的影響對高速飛行空間目標(biāo)的監(jiān)視和追蹤盲區(qū)，通過天基與地面探測系統(tǒng)配合可實現(xiàn)對彈道導(dǎo)彈、超音速飛行器、亞音速飛行器等的全方位追蹤(圖4)，從而在導(dǎo)彈預(yù)警、軍事偵查等應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。天基紅外探測系統(tǒng)在美國、俄羅斯、法國、以色列等國家和地區(qū)均得到重要發(fā)展。美國相繼發(fā)展了DSP、SBIRS、STSS、NG-OPIR、MSX和NFIRE衛(wèi)星遙感系統(tǒng)(圖5，表1)，未來將進一步發(fā)展探測和跟蹤高超聲速飛行器的能力，要求紅外探測在8-15 μm中長波波段具有較高的探測率和響應(yīng)度，以在幾分鐘內(nèi)作出識別、分析和判斷。

圖4 高超聲速飛行器飛行剖面和飛行時間對比

圖5 美國DSP、SBIRS、STSS 預(yù)警系統(tǒng)作用示意圖

表1 美國預(yù)警系統(tǒng)對比

天文探測中，紅外探測技術(shù)是研究行星、恒星、星系和宇宙起源的重要手段。美國、日本和歐洲等國家和地區(qū)發(fā)射了多顆天文紅外衛(wèi)星(圖6)，天文探測中紅外探測器(圖7，表2)的探測波長可達幾百微米，當(dāng)前最先進的天基天文望遠鏡系統(tǒng)JWST和在研的天基天文望遠鏡SPICA均配備有高性能的紅外探測載荷。但隨著天文觀測的對象距離越來越遙遠，其目標(biāo)和背景輻射更加微弱，因此對紅外探測器性能要求也更為嚴(yán)苛。

圖6 制冷型紅外光學(xué)在天文望遠鏡中的應(yīng)用

圖7 大面陣紅外焦平面

(a)用于VISTA望遠鏡的2048×2048 像元HgCdTe紅外探測器 (Rogalski,2017);(b) 可用于天文探測的Hawaii-4RG-10紅外探測器(像元數(shù)量4096×4096, 10 μm間距，波長1-5 μm);(c) 用于JWST的紅外探測器(Ressler et al., 2015);(d) 用于美國近地天體監(jiān)視任務(wù)(NEOSM)的HgCdTe長波紅外探測器 (λ>10 μm) (Roellig et al, 2020)

表2 紅外光學(xué)探測器在天文望遠鏡中的應(yīng)用

4. 未來高效能天基紅外探測對中長波紅外探測器技術(shù)的需求分析

1)空間紅外探測系統(tǒng)與紅外探測器參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析

典型的空間紅外探測系統(tǒng)主要包括光學(xué)系統(tǒng)、紅外焦平面探測器、光機系統(tǒng)、電路和熱控制系統(tǒng)。通過上述部件協(xié)同作用，來保證紅外探測器和光學(xué)系統(tǒng)的正常運行，實現(xiàn)從空間平臺對目標(biāo)的紅外遙感觀測。評估空間紅外探測系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)有調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)、幅寬、地面采樣距離(GSD)、探測距離、噪聲等效溫差(NETD)、信噪比(SNR)、光譜特性等參數(shù)。這些指標(biāo)是設(shè)計高性能紅外探測系統(tǒng)的基本前提，文章梳理并厘清上述指標(biāo)與紅外探測器參數(shù)、光學(xué)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的相關(guān)性(圖8)，構(gòu)建了基于紅外探測系統(tǒng)性能要求的紅外探測器關(guān)鍵參數(shù)和紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

圖8 空間紅外探測系統(tǒng)與紅外探測器參數(shù)、紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

文章舉例定量研究了D*、像元間距和最大探測距離之間的關(guān)系(圖9)。結(jié)果表明，降低操作溫度可顯著提高探測率，較小的像元間距和較低的NETD可顯著擴展最大探測距離。但值得注意的是，較小的像元間距并不一定保證探測器具有更高的性能。這是因為探測器像元尺寸影響探測系統(tǒng)MTF及其對圖像中的細節(jié)進行解析的能力。如果像元尺寸過小，圖像受少數(shù)載流子擴散引起的噪聲影響將會增加，也會由于衍射效應(yīng)影響成像質(zhì)量。如中波的波長衍射極限約為3 μm，長波的波長衍射極限約為8 μm。當(dāng)像元尺寸小于所探測波段的衍射極限時，探測器的MTF將受到影響，空間分辨率無法進一步增加。因此探測器像元尺寸的選擇應(yīng)在可以保證高分辨率的同時，考慮衍射極限和其他可能影響系統(tǒng)MTF的因素。

圖9 紅外系統(tǒng)D*、像素距離、溫度、波長與最大探測距離的關(guān)系 2)未來天基紅外探測面臨的挑戰(zhàn)和對紅外探測器的需求分析

為進行高精度精細化探測和目標(biāo)識別，未來空間遙感數(shù)據(jù)的獲取趨向于高空間分辨率、高時間分辨率、高光譜分辨率和高能量分辨率。這要求紅外探測器的暗電流水平、靈敏度、分辨率等性能不斷提升。當(dāng)前短波段紅外探測器技術(shù)相對成熟，但中波和長波紅外探測器在實現(xiàn)大面陣、高探測率、盲元率控制和高密度集成方面仍面臨較大困難。這給高性能天基紅外對地觀測平臺的構(gòu)建帶來如下挑戰(zhàn)：

(1)為支撐空間高性能光學(xué)遙感系統(tǒng)的構(gòu)建，亟需發(fā)展更大面陣規(guī)模、更小像元尺寸、低噪聲、高靈敏度和高動態(tài)范圍的紅外探測器。然而，目前高性能大面陣中長波紅外探測器的制造仍然非常困難。全球僅有少數(shù)幾家公司能夠提供中波和長波波段的高品質(zhì)紅外探測器。

(2)高效的深低溫制冷和系統(tǒng)集成技術(shù)是保障紅外探測器工作性能的關(guān)鍵。而工作溫區(qū)低于35 K的深低溫制冷系統(tǒng)面臨效率低、多級制冷系統(tǒng)復(fù)雜、對工質(zhì)中雜質(zhì)敏感和長壽命等挑戰(zhàn)。

(3)盡管目前已研發(fā)出適用于中波和長波紅外探測器的新型材料，但其應(yīng)用尚面臨挑戰(zhàn)。

因此，面向未來空間應(yīng)用的紅外探測器研究應(yīng)重點關(guān)注以下方面：

(1)開發(fā)具有大面陣規(guī)模、小像元尺寸的紅外探測器，以提高其集成性，減小探測器尺寸和制冷系統(tǒng)功耗，增強成像系統(tǒng)的空間分辨率、圖像質(zhì)量和目標(biāo)識別能力。

(2)發(fā)展具有mK級溫度分辨率、極低暗電流和噪聲、極高靈敏度的中長波和甚長波紅外探測器，以提高對低溫、移動目標(biāo)和遠距離天文目標(biāo)探測的能量分辨率、光譜分辨率，以在相同軌道高度實現(xiàn)更高的探測率和目標(biāo)識別能力。

(3)發(fā)展具有快速響應(yīng)能力的高幀頻探測器和具有高動態(tài)范圍(HDR)的探測器以提高探測系統(tǒng)時間分辨率。 (4)充分利用多維信息融合成像、片上智能、片內(nèi)感知—存儲—處理一體化等新技術(shù)，開發(fā)新一代紅外探測器，促進空間遙感的智能化發(fā)展和高效應(yīng)用。

審核編輯：湯梓紅