焦平面红外探测器应用现状

0 引言

红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探测器在精确制导、瞄准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。近年来，红外探测器的需求不断增加。据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有望在2020年达到163.5亿美元，复合年均增长率为7.71%。

红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。非致冷探测器目前主要是非晶硅和氧化钒探测器，致冷型探测器主要包括碲镉汞三元化合物、量子阱红外光探测器Ⅱ类超晶格等。

在过去的几十年里，大量的新型材料、新颖器件不断涌现，红外光电探测器完成了第一代的单元、多元光导器件向第二代红外焦平面器件的跨越，目前正朝着以大规模、高分辨力、多波段、高集成、轻型化和低成本为特征的第三代红外焦平面技术的方向发展。

1 焦平面红外探测器应用现状

热探测器的应用早于光子探测器。热探测器包括热释电探测器、温差电偶探测器、电阻测辐射热计等。热探测器具有宽谱响应、室温工作的优点，但是它响应时间较慢、高频时探测率低，目前主要应用于民用领域。光子探测器是基于光电效应制备的探测器，通过配备致冷系统，具有高量子效率、高灵敏度、低噪声等效温差、快速响应等优点。在军事领域，光子探测器占据主导地位。常用的光子探测器有碲镉汞（HgCdTe）、InAs / InGaSb Ⅱ类超晶格、GaAs / AlGaAs量子阱等。近年来量子点红外光探测器也引起广泛关注，量子点红外光探测器在理论上具有很多优点，但实际制备的量子点红外光探测器与理论预测的还是有一定差距。表1对几种常用的光子型焦平面红外探测器进行了比较。

在精确制导领域，主流制导方式有红外制导和雷达制导，这两种方式各有优势，在某些特定的场合，红外制导更是显示出其不可替代性。与雷达制导的主动探测相比，红外探测是被动探测，它不辐射电磁波，有利于提高飞机的隐蔽性能。另一方面，红外探测器的工作波长比雷达探测的微波要短 3 到4 个量级，这样红外成像分辨力更高，可以满足某一特定细节的高精度成像需求。而且红外探测还具有准确可靠、保密性好、抗电子干扰性强等优势。例如在电子、光电对抗、以及使用隐身战机的情况下，特别是数字射频存储干扰技术的扩散，雷达型空空导弹在受到干扰时失效的几率大大提高，因此雷达型导弹难以消灭所有的视距外目标。国外对装备机载雷达的隐身飞机进行空战模拟，结果发现当距离较远时，机载雷达难以发现敌机。这就意味着，红外制导型空空导弹在未来空战中的地位将有所提升。

国外第四代空空导弹制导系统中，如美国的响尾蛇、英国阿斯拉姆、俄罗斯R-73、法国米卡红外型、德国依尔伊斯特、以色列“怪蛇”系列等最新型号都采用了基于焦平面红外探测的红外制导技术。国产武器装备也是如此，空空导弹中应用抗干扰型多元成像导引头，能够高离轴角发射，并具备超机动性；在防空导弹中采用红外成像导引头，较好地解决了超低空飞行引信容易误启动的情况；在反坦克导弹中使用了红外焦平面成像式自导头，配有非冷却式光电探测器，成为非致冷式红外成像制导反坦克导弹。

在瞄准系统、侦察夜视领域，焦平面红外探测器也具有广泛的应用前景。据报道，一款夜间瞄准系统升级设备将用于美国海军陆战队AH-1眼镜蛇攻击直升机，此机载夜间瞄准系统是一个光电前视红外塔楼状传感器组件，能为海军陆战队提供远程监视、跟踪、高空目标探测、测距和激光指示。美国海军战斗机专家正在更新自航母起飞的F /A-18战斗轰炸机机载前视红外瞄准系统，以达到给飞行员提供大幅增加的目标检测和识别范围、先进激光指示能力、远离海岸行驶的精确评估、光电和红外成像的目的。

2 焦平面红外探测器研究现状

2.1 国内研究现状

国内研制焦平面红外探测器主要研究机构有上海技术物理研究所、昆明物理研究所、国防科学技术大学、南京理工大学等单位。上海技术物理研究所在碲镉汞红外探测器的研制方面，包括材料生长、器件工艺设计、电路设计方面都积累了丰富的经验。南京理工大学在红外焦平面阵列非均匀性校正上开展了深入的研究。

目前，焦平面红外探测器产业化发展迅速，国内已有多家企业具有生产致冷型或非致冷型焦平面红外探测器的能力，其所生产的典型产品指标如表2所示。近年来，国内已建有具有自主知识产权的8英寸0.25μm非致冷红外探测器生产线，新型氧化钒800 × 600 高分辨力非致冷焦平面红外探测器及Ⅱ类超晶格红外探测器短波、中波和长波产品均已面世，这些成果对于提升国家自主创新能力和国家战略装备的研制具有重要意义。总体来看，国产焦平面红外探测器的制造能力正在迅速提高，不仅实现了从衬底、外延、芯片、封装到致冷机的自行设计和研发，也实现了从材料到组件的全国产化。

2.2 国外研究现状

国外焦平面红外探测器的生产厂商主要分布在美国、英国、法国、德国、日本及以色列等国。表3列出了目前国外典型的焦平面红外探测器性能指标。

美国Raythen公司已研制出一种双波段HgCdTe红外焦平面阵列结构，而且还将会作为对现有的地基和机载战术系统进行升级的第三代产品而获得进一步的发展。在非致冷型探测器领域，Raythen公司正在与美国陆军夜视与电子传感器管理局及美国国防高级研究计划局（DARPA）联合研制2048 × 1536（三百万像元级）非致冷焦平面阵列。

在小型探测器研究领域，DARPA已成功研制了一系列像元间距为5 ~ 8μm的红外探测器而作为DARPA的大口径海洋基础数据阵列计划的一部分，一种基于像元间距为5μm的碲镉汞焦平面阵列的中波红外相机也已被研制出。

美国 Northrop Grumman 公司研制的硒化铅探测器被认为是焦平面红外探测的一大突破，这种致冷型光子探测器具有很高的灵敏度和成像速率，但价格低廉，无需采用低温制冷装置。

法国Sofradir公司的红外探测器产品较多，包括HgCdTe，InSb，InGaAs，QWIP 以及微测辐射热计，覆盖了短波红外、中波红外、长波红外光谱。近期公司又推出了像元间距为10μm的Daphnis系列红外探测器，该探测器是世界上第一款采用小像元间距技术制成的致冷型中波红外成像产品，非常适合电光系统究人员用来研制陆基、机载和舰载军事系。

3 存在的问题及发展趋势

目前主流的焦平面红外探测器具有成像系统体积小、质量轻、功耗低、系统灵敏度高、工作帧频高等一系列优点，但其缺点也很明显，如 HgCdTe 红外探测器材料均匀性相对较差，Ⅱ类超晶格探测器分子束外延生长工艺不够成熟，量子阱红外探测器不吸收正入射光，量子效率相对较低，量子点红外探测器也存在量子点材料不均匀的问题。除此之外，不同材料制备的焦平面红外探测器还存在一个共性的问题，那就是焦平面红外探测器存在成像非均匀性问题。相比于单点扫描和线阵扫描，焦平面阵列由于规模大，所以其成像非均匀性问题就比较突出。成像非均匀性也称固有空间噪声，是指焦平面阵列在均匀辐射输入时，各单元输出的不一致性。造成图像非均匀的因素是多方面的，包括红外焦平面阵列中各探测单元的响应特性不一致；红外光学系统的影响，如镜头加工精度、镜头孔径等因素影响；红外焦平面外界输入的影响；红外焦平面阵列中无效探测单元的影响；红外焦平面阵列温度变化的影响；读出电路本身非均匀性及读出电路与探测器耦合非均匀性的影响。非均匀性影响测量精度，特别是在弱信号探测时尤为严重。

目前的校正方法主要有两类，一类是定标类校正，另一类是场景类校正。定标类校正方法主要包括一点校正法、两点校正法、多点校正法和插值校正法，场景类校正方法包括时域高通滤波算法、神经网络法、维纳滤波法、小波滤波法等。定标类校正方法处理数据较少，可实现实时校正，不需场景运动，但是定标类校正方法校正系数固定不变，不能够随着器件工作温度及环境状态的变化而自适应变化。场景类校正法不需定标，可依据场景的变化自适应计算各个探测单元的增益和偏执系数，但是场景类校正法计算量大，校正精度低，难以在实际应用中推广。目前在军事中广泛应用的校正方法主要是定标类校正方法。为了进一步提升红外焦平面成像的均匀性、提升武器装备中制导精度，开展红外探测器成像非均匀性参数校正的新方法研究以及探测器数据采集系统的定性检查和定量校准是迫切和必要的。

焦平面红外探测器的发展趋势主要体现在以下几个方面。首先是探测器向高集成度、小型化方向发展，这主要体现在像元间距越来越小，阵列规模越来越大。目前的长波红外器件规模可以达到640 × 512，中、短波器件规模可以达到1024 × 1024 甚至4096 × 4096，Sofradir 公司生产的DAPHNIS 型HgCdTe 探测器，其像元间距仅为10μm。其次是非致冷型红外探测器研究热度增加，与致冷型红外探测器相比，非致冷型红外探测器探测精度略差，但是由于没有致冷系统，它具有价格低、功耗低、质量轻、体积小易于便携设计等一系列优点，此外，低温致冷系统和复杂的扫描装置是红外系统的主要故障源，所以非致冷热成像还具有可靠性高的优势。最后是多波长焦平面红外探测成为研究热点。单一波长的红外探测容易受外界环境干扰导致探测能力和准确度下降，在红外制导武器中，单一波长的红外探测器一旦受对应波段的激光武器攻击，很难避免被致盲。采用多波段探测，可以有效地避免外界干扰，降低虚警率，提高系统对假目标的鉴别能力，满足未来战场的需要。例如，荷兰的IRSCAN 和法国的“斯皮拉尔”舰用红外警戒系统等都采用的是双波段探测。

4 总结

红外探测器在军事领域特别是精确制导领域具有重要的地位，在焦平面红外探测器的制备方面，国内焦平面红外探测器生产能力迅速提高，但总体上，国内与国外还存在一定的差距。焦平面红外探测器存在成像非均匀性的问题，对焦平面阵列红外探测器进行非均匀性校正可以极大提高其探测精度。非致冷型焦平面红外探测器研究热度增加，高集成度、多波长探测也是焦平面红外探测器的发展趋势。