1、第20卷第2期 2013年2月 电光与控制 Electronics OpticsControl Vo120 No2 Feb2013 doi：103969jissn1671637X20130201 1 红外探测器发展需求 张雪，梁晓庚 (洛阳光电技术发展中心，河南洛阳471009) 摘要：由于未来作战环境复杂，红外探测技术发展面临严峻挑战，而作为红外型武器的核心红外探测器，正朝 着高灵敏、宽谱段、高分辨率、低功耗、小型化和智能化的方向发展。通过回顾相关产业军民两用融合情况和红外探测 技术发展历程，总结军事发展对探测器新的要求，以确立新一代探测器发展方向。在详细分析国外红外探测器发展 历程和现状的
2、基础上，重点介绍了国外红外焦平面探测器的最新研制情况和成果，包括非制冷红外探测器、制冷型红 外探测器、红t-zt色探测器等，并总结强调第三代红外探测器需要在控制成本的同时不断提高和改进红外焦平面探 测系统的性能。最后概述了智能化红外焦平面阵列的发展情况。 关键词：红外焦平面探测器；红外成像制导；红外监测；智能化红外焦平面 中图分类号：V2714；TN21 文献标志码：A 文章编号：1671637X(2013)02004105 Development of and Demands for Infrared Detectors ZHANG Xue，LIANG Xiaogeng (Luoyang O
3、ptElectro Center,Luoyang 471009，China) Abstract：The development of infrared detection is facing a severe challenge in the future since the battlefield situation is getting more and more complexAs the core of infraredbased weapons，the infrared detector is developing towards higher sensitivity，wider s
4、pectrum,higher resolution,lower power consumption,smaller size and more inteUigent abilityThrough reviewing the long history of infrared detection and summarizing the urgent demands on military detecting,the development tendency of next generation detector is studiedThe development and achievements
5、of the new generation infrared focal plane detection technology are introduced，and the necessity for improving the system performance while controHing cost is emphasizedIn the ena,the development of intenigent infrared focal plane array is given Key words：infrared focal plane detector；infrared imagi
6、ng guidance；infrared monitoring；intelligent infrared focal plane 0 引言 红外探测技术的不断发展是军事应用需求牵引和 推动的过程。红外光学最初又叫做军事光学，首先被 广泛应用于军事领域，如制导、侦察、搜索、预警、探测、 跟踪、全天候前视和夜视、武器瞄准等。20世纪70年 代以后，民用需求急剧增长，加上红外探测器件发展迅 猛、生产成本下降，使得军事红外技术逐步向民用部门 转化，红外探测技术被广泛应用于工业、农业、医学、交 通等各个行业和部门，如电力在线检测、铁路车辆轴温 探测、矿产资源勘探、地下矿井测温和测气、气象预报、 收稿日期
7、：20120104 修回日期：20120218 作者简介：张雪(1984一)，女，河北承德人，博士生，研究方向为红 外探测、控制等。 地貌或环境监测、农作物或环保监测等，使得红外探测 技术发展成为军民两用技术。 目前，红外探测技术的发展，特别是最新型的凝视 焦平面阵列红外探测器的应用，使得利用红外成像技 术实现对目标的监测和跟踪，成为了衡量新一代红外 武器现代化、自动化和智能化的重要标志之一。为了 适应未来战争的需要，红外探测技术在军事中的应用 正朝着高灵敏、宽谱段、高分辨率、低功耗、小型化和智 能化的方向发展。 1红外探测技术发展简述 20世纪，红外探测技术首先受到军事部门的关 注，它实现了
8、黑暗中的目标探测、保密通讯等。 最初的红外探测采用点源探测技术，该方法将目 标看作一个热点源，以此来探测、锁定并追踪目标。由 42 电光与控制 第20卷 于获得的特征信息量十分有限，且非常容易受到各类 红外、激光等干扰，因此单元探测基本不具备目标识别 的能力。第一代红外导弹采用非致冷的硫化铅探测器 进行点源探测，工作波段为13 I,zm，探测飞机发动机 喷口的红外辐射，因此仅可进行尾追攻击，攻击角度 小，作用距离近，且受红外诱饵、背景和气象条件影响 严重。第二代红外导弹采用了致冷技术，硫化铅或者 碲化铟探测器工作波段为35 m，并且使导引头有 了更大的视角和跟踪加速度，但是抗干扰能力和作战 性
9、能表现平平。 随着计算机技术、光电子技术等发展，光电对抗 越来越强烈，简单的点源式探测技术面临重大挑战， 逐渐发展为多元探测技术，可以获取较丰富的目标信 息。第三代红外导弹采用致冷碲化铟探测器，多为圆 锥扫描和玫瑰线扫描，探测范围大，跟踪角速度高，具 备一定程度的全向攻击能力及抗干扰能力。 20世纪80年代研发的多元红外探测器面阵凝视 成像系统探测元数量达到l0 10 量级，可以直接置 于红外物镜的焦平面上，实现所谓的大角度“凝视”， 电子脉冲代替了光学机械扫描体制。系统灵敏度可提 高两个量级且可同时处理多个目标，体积缩小、重量减 轻、响应更快、可靠性提高，在军事上有更突出的适用 性。第四代红
10、外导弹，如美国的AIM-9X采用了凝视 焦平面阵列成像，导引头具有更高的抗干扰能力和真 正意义上的全向攻击能力，实现了发射后不管。 目前，红外探测技术正朝着中波红外、长波红外双 波段甚至多波段方向发展。红外探测器将具备像素更 高、帧速率更快、热分辨率更强、多色化和智能化等 特征。 2军事发展对探测器的要求 未来空战将是多机编队的协调空战，是多层次、多 目标、全方位和高度的立体化空战，战场将始终充满强 烈的光电干扰，目标机动性能、红外隐身性能以及采用 的红外干扰措施的不断提高，使得红外探测环境越来 越恶劣。 在空中侦察获取情报任务中，为了能够更好地完 成立体化空战，现代战斗机挂载的侦察吊舱的种类
11、和 数量在逐渐增加，而吊舱的先进性取决于其探测器的 性能，如有效探测距离、探测精度、抗恶劣环境的能力 等。为了获取高分辨率的图像情报，以完成对较远距 离目标的探测、识别和瞄准，需要提高探测器的灵敏度 和分辨率，可靠性及全天候工作能力，在单位时间内提 供更多的目标信息，以对付高速和高机动目标，同时在 光电对抗中能够更有效地识别目标和跟踪目标。 在精确打击任务中，红外制导技术的发展方向为 多用途、智能化、低成本等 。 1)多用途。未来成像制导导引头将会肩负更多 的使命，包括中制导、末制导、侦察以及打击效果评估 等，具备多色、多模复合制导能力。 2)智能化。未来智能化红外成像制导导引头需 要具备仿人
12、眼神经网络处理，可调谐红外探测，可调整 每个像素的灵敏度。 3)低成本。未来武器系统除了对性能的高要求 以外，还要求经济上可承受。这就要求组成武器系统 的各单元部件尽量降低制造成本。 由此可见，军事发展对探测器提出了新的要求：1) 新一代红外探测器阵列数目必定大幅度增加，传感器 获取的目标信息量也会成倍增加，因此需要增加像素 数量，缩小像素间距，增大空间分辨率；2)需要能够同 时进行双波段或多波段检测，独立提供探测结果，从而 辨别目标的绝对温度和各自特征，并进一步提高灵敏 度，降低误警率，从对目标的单一探测功能扩展到对目 标的认识，进而实现对目标的快速识别；3)由于侦测或 制导系统需要较高的数
13、据更新率，因此要求减少红外 探测器的噪声等效温差，增加器件占空比。 3红外焦平面探测器的最新研制情况 红外焦平面探测器技术体现了当前红外探测技术 的发展水平，其趋势是体积更小、功效更强和更加集成 化。下面介绍这一关键技术的国外研制情况。 31 高性能致冷型红外探测器 由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探 测器的理想分辨率，所以，为提高探测仪的精度必须大 幅度降低背景温度。致冷型红外探测器件需要在低温 下工作，相比非致冷器件，成像质量更优、探测灵敏度 更高。对于新一代致冷型探测器，除了需要设计非常 小的像素间距以保证红外焦平面阵列的尺寸足够小， 还需要采取提高操作温度等一系列手段以达到降低
14、成 本、提高性能的目的。 311 碲镉汞红外焦平面器件 碲镉汞优良的电学特性体现在载流子浓度低、少 数载流子寿命长、电子空穴有效质量比大、电子迁移率 高而介电常数小等方面。作为军用红外探测的理想器 件，碲镉汞(MCT)焦平面阵列无论在长波、中波还是短 波等多个红外波段都得到了全面的发展。其中，中波 凝视红外成像制导发展较快，美国响尾蛇AIM-9X空 空弹就采用了128128元中波碲镉汞焦平面阵做成 的红外凝视成像系统。 目前，采用MCT的焦平面阵列大部分是128 X 128 第2期 张雪等：红外探测器发展需求 43 到640512像素的格式，但有一些中波MCT阵列可 以达到20482048像素
15、。德国AIM公司最新生产的 HiPIR640MCT为640512像素，15 I,zm间距的长波 或中波探测器，全帧速可达到100 Hz。 法国的研究机构致力于发展非平衡模式的碲镉 汞分子束外延(MBE)，以满足碲镉汞多层结构的制 备要求。Sofradir公司双色探测器技术的最新成果为 ALTAIR(640512 j 24 LLm)MWIRMWIR和MWIR LWIR双色探测器，拥有18 mK的噪声等效温差，可操 作性超过995 。 312量子阱光导体焦平面阵列器件 量子阱红外焦平面(QwIP)利用MBE、MOCVD薄 膜生长技术，交替生长作为势阱层的GaAs(或InGaAs) 材料和作为势垒层
16、的A1GaAs(或GaAs)材料，通过改变 量子阱宽度和势垒高度对带隙宽度进行人工剪裁，从而 可用于大气窗口35 m和814 肌红外的探测。 与传统的HgCdTe红外探测器相比，QWIP具有均 匀性高、产率高、成本低、热灵敏度高、热稳定性好等优 点。尽管红外探测器的主流碲镉汞技术已发展40余 年，鉴于其材料的衬底和外延技术的难度很高，实现低 盲元率的大面阵焦平面探测器较难，量子阱红外探测 器具有更容易制造的优点，因而发展也更加迅速，瑞典 的IRnova公司正致力于研发1280720像素的量子阱 长波红外探测器IRnova1280，以及根据客户需求定制 专属的QWIPFPA器件。 目前，QWIP
17、红外焦平面器件主要向大面阵、高 温、双色或多色方向发展，美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)报道了640480红外双色 焦平面和640512红外四色焦平面器件。 313 InSb红外焦平面阵列器件 InSb的载流子迁移率高，适用于35 m中红外 波段，具有较高的灵敏度，因此在凝视型空空导弹中占 据着重要的位置。由德国牵头、六国联合研制的先进 红外型近距格斗空空导弹IRIST导弹即采用机械扫 描的1284的锑化铟红外成像导引头。 美国Santa Barbara Focalplane研制的宽频谱响应 InSb(从小于1 m到52 m)，量子效率达到90以
18、 上。其研制的灵活型640512元InSb焦平面阵列还 可用作512512元，640480元或者400400元。 以色列的sCD半导体器件公司(SemiConductor Devices)开发了一系列数字化FPA探测器，与模拟的 FPA探测器相比，探测距离增加，更容易集成和功能 定制，具有非常明显的优势。同时，为了获得高分辨率 的中波红外探测器，该公司最新研制了一种大规格数 字中波红外探测器，该InSb探测器达到兆像素级，被 命名为Hercules(12801024元像素15 m间距)探 测器 。 314 II类超晶格 近年来，超晶格探测器引起人们的极大关注，尤 其是由IIIV族半导体材料In
19、AsGaSb或InAsGa1 xInxSb构成的具有优越的材料性能的II类超晶格 (T2SL)，其量子效率高，暗电流小，工作温度高，能带 结构可调，在同等时间内的探测能力高，同时积分时间 短，在国际上被认为是第三代红外焦平面探测器的优 选材料。2010年，美国西北大学量子器件中心制造了 高性能的兆像素级II类超品格(T2SL)长波红外FPA 器件，在80 K时的噪声等效温差为236 mK，背景温 度300 K时的积分时问是013 ms 。2011年，美国的 Qmagiq公司又成功研制了1 K1 K的超晶格长波 FPA器件。 315 第三代新型红外探测器要求 除了在材料和工艺上不断改善，减少缺陷
20、，提高系 统性能，以增大产量，第三代新型红外探测器还需降低 功耗以满足新系统的需求，因此要减少系统规模，以增 加系统的自主权和可靠性，并在整体上降低系统成本。 红外焦平面阵列技术要求控制IRFPA的成本和 产量，整体上降低系统成本，首先需要提供IRFPA的 可操作性，IRFPA的可操作性在两个相反的方面影响 IRFPA的生产率。随着可操作性接近100，由于采用 了更纯、更好的材料(如较少缺陷)，导致可操作性改 善越来越困难。一方面，所用IRFPA材料成本随可操 作性技术要求的提高而提高；另一方面，具有较高可操 作性的IRFPA更可能满足对缺陷像素的系统技术要 求，从而具有较好的最终测试结果 。
21、 为了增加操作性、自主性和可靠性，同时降低成 本，法国Sofradir and CEALETI通过采取一系列措施 提高MCT探测器工作温度 。通过对NP和PN碲 镉汞技术进行优化改进，尽可能地提高工作温度，保证 高温操作下的良好性能和极低的缺陷像素率。2011 年的试验中，采用了小规模探测器，参数选取的是 Scorpio探测器(640512像素15 m间距)的数值， 采用nonP结构，在80 K的截止波长为53 m。在 低功耗的前提下，该探测器温度能达到140 K。同时， 系统的功耗降低，可靠性增强。其下一步目标是在不 影响系统灵敏度的前提下，将截止波长下降到42 m 的同时，将工作温度提升至
22、160 K。 另一个好的解决办法是降低红外探测器的像素间 距。在保持整体性能的前提下，愈发强调系统的紧凑 性能，图1显示了随着工艺技术的进步，像素间距得到 有效控制，实现了逐年递减 。 第2期 张雪等：红外探测器发展需求 45 、 构 图4基于MEMS技术的可调谐红外探测器的一般构成 Fig4 General concept of MEMSbased tuneable IR detector 其中，MEMS滤波器是静电驱动法布里一珀罗可 调谐滤波器，在实际使用中，MEMS滤波器阵列的安装 使光谱串扰最小。集成各组件技术的自适应焦平面阵 列涉及许多相关学科，包括MEMS、光学镀膜技术、微 透镜技
23、术、光学系统建模以及焦平面阵列装置。集成 的目的是产生一个图像传感器阵列，其中每一个像素 的波长灵敏度都是可以独立调整的。该设备实际将构 成一个大型的电子可编程微型光谱仪的格式阵列。美 国罗克韦尔科技有限公司已经验证了长波红外线中的 同步光谱调谐，同时使用双频AFPA提供了中波红外 波段的宽带图像。AFPA概念的实现将使许多重要军 事任务实现巨大改进，包括侦察勘测、战场监视和精确 制导等应用方向。 5小结 回顾红外探测的发展历程，其在军事领域的高精 尖技术应用，引领并促进了相关产业军民两用的融合 发展。未来先进武器的红外器件将向采用大规模高密 度红外焦平面探测器的凝视红外成像方向发展，这对 红
24、外探测器也提出了更高的要求： 1)在减小规模的基础上，不断提高系统的整体性 能，包括更高的像素灵敏度，更高的像素密度，由二维 向三维多层次结构发展； 2)采用高速高帧频探测器，实现快速响应； 3)减少红外成像阵列系统的成本； 4)双色、多色的发展可以实现不同波长的探测， 成倍扩大系统信息量，探测器在焦平面上实现神经网 络功能，通过智能化红外焦平面的发展改善红外成像 阵列的功能； 5)提高探测器的工作温度。 同时，还应该设计用户检测器接口，以简化系统设 计并提高系统性能。 随着红外探测技术的不断发展与完善，其在军事 领域应用前景也将更加广阔，运用计算机技术、模式识 别、多模复合制导等先进技术，将
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