焦平面紅外探測器應(yīng)用現(xiàn)狀

0 引言

紅外探測器廣泛應(yīng)用于軍事、科學(xué)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域，尤其在軍事領(lǐng)域，紅外探測器在精確制導(dǎo)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、偵察夜視等方面具有不可替代的作用。近年來，紅外探測器的需求不斷增加。據(jù)美國相關(guān)公司市場調(diào)研分析師預(yù)測，全球軍用紅外探測器需求額有望在2020年達(dá)到163.5億美元，復(fù)合年均增長率為7.71%。

紅外探測器按探測機(jī)理可分為熱探測器和光子探測器，按其工作中載流子類型可以分為多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件兩大類，按照探測器是否需要致冷，分為致冷型探測器和非致冷型探測器。非致冷探測器目前主要是非晶硅和氧化釩探測器，致冷型探測器主要包括碲鎘汞三元化合物、量子阱紅外光探測器Ⅱ類超晶格等。

在過去的幾十年里，大量的新型材料、新穎器件不斷涌現(xiàn)，紅外光電探測器完成了第一代的單元、多元光導(dǎo)器件向第二代紅外焦平面器件的跨越，目前正朝著以大規(guī)模、高分辨力、多波段、高集成、輕型化和低成本為特征的第三代紅外焦平面技術(shù)的方向發(fā)展。

1 焦平面紅外探測器應(yīng)用現(xiàn)狀

熱探測器的應(yīng)用早于光子探測器。熱探測器包括熱釋電探測器、溫差電偶探測器、電阻測輻射熱計(jì)等。熱探測器具有寬譜響應(yīng)、室溫工作的優(yōu)點(diǎn)，但是它響應(yīng)時(shí)間較慢、高頻時(shí)探測率低，目前主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。光子探測器是基于光電效應(yīng)制備的探測器，通過配備致冷系統(tǒng)，具有高量子效率、高靈敏度、低噪聲等效溫差、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。在軍事領(lǐng)域，光子探測器占據(jù)主導(dǎo)地位。常用的光子探測器有碲鎘汞（HgCdTe）、InAs / InGaSb Ⅱ類超晶格、GaAs / AlGaAs量子阱等。近年來量子點(diǎn)紅外光探測器也引起廣泛關(guān)注，量子點(diǎn)紅外光探測器在理論上具有很多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際制備的量子點(diǎn)紅外光探測器與理論預(yù)測的還是有一定差距。表1對幾種常用的光子型焦平面紅外探測器進(jìn)行了比較。

在精確制導(dǎo)領(lǐng)域，主流制導(dǎo)方式有紅外制導(dǎo)和雷達(dá)制導(dǎo)，這兩種方式各有優(yōu)勢，在某些特定的場合，紅外制導(dǎo)更是顯示出其不可替代性。與雷達(dá)制導(dǎo)的主動(dòng)探測相比，紅外探測是被動(dòng)探測，它不輻射電磁波，有利于提高飛機(jī)的隱蔽性能。另一方面，紅外探測器的工作波長比雷達(dá)探測的微波要短 3 到4 個(gè)量級，這樣紅外成像分辨力更高，可以滿足某一特定細(xì)節(jié)的高精度成像需求。而且紅外探測還具有準(zhǔn)確可靠、保密性好、抗電子干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢。例如在電子、光電對抗、以及使用隱身戰(zhàn)機(jī)的情況下，特別是數(shù)字射頻存儲干擾技術(shù)的擴(kuò)散，雷達(dá)型空空導(dǎo)彈在受到干擾時(shí)失效的幾率大大提高，因此雷達(dá)型導(dǎo)彈難以消滅所有的視距外目標(biāo)。國外對裝備機(jī)載雷達(dá)的隱身飛機(jī)進(jìn)行空戰(zhàn)模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，機(jī)載雷達(dá)難以發(fā)現(xiàn)敵機(jī)。這就意味著，紅外制導(dǎo)型空空導(dǎo)彈在未來空戰(zhàn)中的地位將有所提升。

國外第四代空空導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中，如美國的響尾蛇、英國阿斯拉姆、俄羅斯R-73、法國米卡紅外型、德國依爾伊斯特、以色列“怪蛇”系列等最新型號都采用了基于焦平面紅外探測的紅外制導(dǎo)技術(shù)。國產(chǎn)武器裝備也是如此，空空導(dǎo)彈中應(yīng)用抗干擾型多元成像導(dǎo)引頭，能夠高離軸角發(fā)射，并具備超機(jī)動(dòng)性；在防空導(dǎo)彈中采用紅外成像導(dǎo)引頭，較好地解決了超低空飛行引信容易誤啟動(dòng)的情況；在反坦克導(dǎo)彈中使用了紅外焦平面成像式自導(dǎo)頭，配有非冷卻式光電探測器，成為非致冷式紅外成像制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈。

在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、偵察夜視領(lǐng)域，焦平面紅外探測器也具有廣泛的應(yīng)用前景。據(jù)報(bào)道，一款夜間瞄準(zhǔn)系統(tǒng)升級設(shè)備將用于美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)AH-1眼鏡蛇攻擊直升機(jī)，此機(jī)載夜間瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是一個(gè)光電前視紅外塔樓狀傳感器組件，能為海軍陸戰(zhàn)隊(duì)提供遠(yuǎn)程監(jiān)視、跟蹤、高空目標(biāo)探測、測距和激光指示。美國海軍戰(zhàn)斗機(jī)專家正在更新自航母起飛的F /A-18戰(zhàn)斗轟炸機(jī)機(jī)載前視紅外瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，以達(dá)到給飛行員提供大幅增加的目標(biāo)檢測和識別范圍、先進(jìn)激光指示能力、遠(yuǎn)離海岸行駛的精確評估、光電和紅外成像的目的。

2 焦平面紅外探測器研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研制焦平面紅外探測器主要研究機(jī)構(gòu)有上海技術(shù)物理研究所、昆明物理研究所、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位。上海技術(shù)物理研究所在碲鎘汞紅外探測器的研制方面，包括材料生長、器件工藝設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)方面都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。南京理工大學(xué)在紅外焦平面陣列非均勻性校正上開展了深入的研究。

目前，焦平面紅外探測器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，國內(nèi)已有多家企業(yè)具有生產(chǎn)致冷型或非致冷型焦平面紅外探測器的能力，其所生產(chǎn)的典型產(chǎn)品指標(biāo)如表2所示。近年來，國內(nèi)已建有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的8英寸0.25μm非致冷紅外探測器生產(chǎn)線，新型氧化釩800 × 600 高分辨力非致冷焦平面紅外探測器及Ⅱ類超晶格紅外探測器短波、中波和長波產(chǎn)品均已面世，這些成果對于提升國家自主創(chuàng)新能力和國家戰(zhàn)略裝備的研制具有重要意義?？傮w來看，國產(chǎn)焦平面紅外探測器的制造能力正在迅速提高，不僅實(shí)現(xiàn)了從襯底、外延、芯片、封裝到致冷機(jī)的自行設(shè)計(jì)和研發(fā)，也實(shí)現(xiàn)了從材料到組件的全國產(chǎn)化。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

國外焦平面紅外探測器的生產(chǎn)廠商主要分布在美國、英國、法國、德國、日本及以色列等國。表3列出了目前國外典型的焦平面紅外探測器性能指標(biāo)。

美國Raythen公司已研制出一種雙波段HgCdTe紅外焦平面陣列結(jié)構(gòu)，而且還將會(huì)作為對現(xiàn)有的地基和機(jī)載戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行升級的第三代產(chǎn)品而獲得進(jìn)一步的發(fā)展。在非致冷型探測器領(lǐng)域，Raythen公司正在與美國陸軍夜視與電子傳感器管理局及美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）聯(lián)合研制2048 × 1536（三百萬像元級）非致冷焦平面陣列。

在小型探測器研究領(lǐng)域，DARPA已成功研制了一系列像元間距為5 ~ 8μm的紅外探測器而作為DARPA的大口徑海洋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)陣列計(jì)劃的一部分，一種基于像元間距為5μm的碲鎘汞焦平面陣列的中波紅外相機(jī)也已被研制出。

美國 Northrop Grumman 公司研制的硒化鉛探測器被認(rèn)為是焦平面紅外探測的一大突破，這種致冷型光子探測器具有很高的靈敏度和成像速率，但價(jià)格低廉，無需采用低溫制冷裝置。

法國Sofradir公司的紅外探測器產(chǎn)品較多，包括HgCdTe，InSb，InGaAs，QWIP 以及微測輻射熱計(jì)，覆蓋了短波紅外、中波紅外、長波紅外光譜。近期公司又推出了像元間距為10μm的Daphnis系列紅外探測器，該探測器是世界上第一款采用小像元間距技術(shù)制成的致冷型中波紅外成像產(chǎn)品，非常適合電光系統(tǒng)究人員用來研制陸基、機(jī)載和艦載軍事系。

3存在的問題及發(fā)展趨勢

目前主流的焦平面紅外探測器具有成像系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、功耗低、系統(tǒng)靈敏度高、工作幀頻高等一系列優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很明顯，如 HgCdTe 紅外探測器材料均勻性相對較差，Ⅱ類超晶格探測器分子束外延生長工藝不夠成熟，量子阱紅外探測器不吸收正入射光，量子效率相對較低，量子點(diǎn)紅外探測器也存在量子點(diǎn)材料不均勻的問題。除此之外，不同材料制備的焦平面紅外探測器還存在一個(gè)共性的問題，那就是焦平面紅外探測器存在成像非均勻性問題。相比于單點(diǎn)掃描和線陣掃描，焦平面陣列由于規(guī)模大，所以其成像非均勻性問題就比較突出。成像非均勻性也稱固有空間噪聲，是指焦平面陣列在均勻輻射輸入時(shí)，各單元輸出的不一致性。造成圖像非均勻的因素是多方面的，包括紅外焦平面陣列中各探測單元的響應(yīng)特性不一致；紅外光學(xué)系統(tǒng)的影響，如鏡頭加工精度、鏡頭孔徑等因素影響；紅外焦平面外界輸入的影響；紅外焦平面陣列中無效探測單元的影響；紅外焦平面陣列溫度變化的影響；讀出電路本身非均勻性及讀出電路與探測器耦合非均勻性的影響。非均勻性影響測量精度，特別是在弱信號探測時(shí)尤為嚴(yán)重。

目前的校正方法主要有兩類，一類是定標(biāo)類校正，另一類是場景類校正。定標(biāo)類校正方法主要包括一點(diǎn)校正法、兩點(diǎn)校正法、多點(diǎn)校正法和插值校正法，場景類校正方法包括時(shí)域高通濾波算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、維納濾波法、小波濾波法等。定標(biāo)類校正方法處理數(shù)據(jù)較少，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)校正，不需場景運(yùn)動(dòng)，但是定標(biāo)類校正方法校正系數(shù)固定不變，不能夠隨著器件工作溫度及環(huán)境狀態(tài)的變化而自適應(yīng)變化。場景類校正法不需定標(biāo)，可依據(jù)場景的變化自適應(yīng)計(jì)算各個(gè)探測單元的增益和偏執(zhí)系數(shù)，但是場景類校正法計(jì)算量大，校正精度低，難以在實(shí)際應(yīng)用中推廣。目前在軍事中廣泛應(yīng)用的校正方法主要是定標(biāo)類校正方法。為了進(jìn)一步提升紅外焦平面成像的均勻性、提升武器裝備中制導(dǎo)精度，開展紅外探測器成像非均勻性參數(shù)校正的新方法研究以及探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的定性檢查和定量校準(zhǔn)是迫切和必要的。

焦平面紅外探測器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先是探測器向高集成度、小型化方向發(fā)展，這主要體現(xiàn)在像元間距越來越小，陣列規(guī)模越來越大。目前的長波紅外器件規(guī)模可以達(dá)到640 × 512，中、短波器件規(guī)模可以達(dá)到1024 × 1024 甚至4096 × 4096，Sofradir 公司生產(chǎn)的DAPHNIS 型HgCdTe 探測器，其像元間距僅為10μm。其次是非致冷型紅外探測器研究熱度增加，與致冷型紅外探測器相比，非致冷型紅外探測器探測精度略差，但是由于沒有致冷系統(tǒng)，它具有價(jià)格低、功耗低、質(zhì)量輕、體積小易于便攜設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，此外，低溫致冷系統(tǒng)和復(fù)雜的掃描裝置是紅外系統(tǒng)的主要故障源，所以非致冷熱成像還具有可靠性高的優(yōu)勢。最后是多波長焦平面紅外探測成為研究熱點(diǎn)。單一波長的紅外探測容易受外界環(huán)境干擾導(dǎo)致探測能力和準(zhǔn)確度下降，在紅外制導(dǎo)武器中，單一波長的紅外探測器一旦受對應(yīng)波段的激光武器攻擊，很難避免被致盲。采用多波段探測，可以有效地避免外界干擾，降低虛警率，提高系統(tǒng)對假目標(biāo)的鑒別能力，滿足未來戰(zhàn)場的需要。例如，荷蘭的IRSCAN 和法國的“斯皮拉爾”艦用紅外警戒系統(tǒng)等都采用的是雙波段探測。

4總結(jié)

紅外探測器在軍事領(lǐng)域特別是精確制導(dǎo)領(lǐng)域具有重要的地位，在焦平面紅外探測器的制備方面，國內(nèi)焦平面紅外探測器生產(chǎn)能力迅速提高，但總體上，國內(nèi)與國外還存在一定的差距。焦平面紅外探測器存在成像非均勻性的問題，對焦平面陣列紅外探測器進(jìn)行非均勻性校正可以極大提高其探測精度。非致冷型焦平面紅外探測器研究熱度增加，高集成度、多波長探測也是焦平面紅外探測器的發(fā)展趨勢。