（光学工程专业论文）红外焦平面阵列技术及其军事中的应用.pdf

国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 摘要 红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，在军事领域得到了广 泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。研究红外焦平面阵列技术及其在军事 中应用，对提高红外武器系统效能，优化作战方案具有一定的指导意义。 本文首先阐述了红外焦平面技术的发展和军事应用概况，对红外焦平面阵列 的工作原理、读出电路、分类、性能等进行了比较全面的讨论。然后分别对单色 红外焦平面阵列以及双色红外焦平面阵列的军事应用进行了研究。 在单色红外焦平面阵列的军事应用研究中，重点研究了红外焦平面阵列在探 测潜艇、成像制导、红外伪装等三个方面的应用。首先，设计了红外焦平面成像 系统探测潜艇的扫描方式，并通过分析信噪比的方法，得出了探测方案可行性； 然后，结合成像制导导弹的作战性能要求，分析了寻的器上红外焦平面阵列的规 模、f 数等技术指标；最后，考虑到我国红外成像技术尚处落后、实施有效的红外 伪装显得更加重要的实际情况，作者在分析红外成像探测原理的基础上，提出红 外适景伪装方案，通过红外焦平面摄像仪采集目标和背景的信息，经过计算机处 理后，生成优化人员、武器装备的配置方案以及目标的伪装方案，以实现目标和 背景的最佳融合，达到最佳的伪装效果。 具有更加卓越性能的双色红外焦平面阵列是红外焦平面阵列的主要发展方向 之一，论文将其在军事的应用分析作为单独的一章内容。分析表明，双色红外焦 平面探测系统可对复杂的背景进行抑制，提高探测效果，在搜索、跟踪和预警系 统中能明显地降低虚警率，能够显著地提高系统的性能和在各种武器平台上的通 用性。 主题词：红外焦平面军事应用探测潜艇红外成像寻的器红外伪装 第i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 a b s t r a c t i n f r a r e df o c a l p l a n ea r r a y ( i r f p a ) i sak e yp a r to ft h ei n f r a r e d s y s t e ma n d t h e r m a li m a g i n gd e v i c e s i ti sa p p l i e de x t e n s i v e l yi nt h em i l i t a r y i th a sh u g em a r k e t p o t e n t i a la n da p p l y i n gp r o s p e c t s t u d y i n gt h ei r f p at e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n si n t h em i l i t a r yh a v ei n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c et oe n h a n c et h ei n f r a r e da r m a m e n ts y s t e m p o t e n c ya n do p t i m i z ec o u r s eo fm i l i t a r ya c t i o n t h ea r t i c l ee l a b o r a t e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no fi i 强p at e c h n o l o g ya n di t sm i l i t a r y a p p l i c a t i o n s t h ei r f p ap r i n c i p l eo fw o r k ，c l a s s i f i c a t i o n ，r e a d i n gc i r c u i ta n di t s c h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e d t h e nt h em i l i t a r ya p p l i c a t i o n so fs i n g l ec o l o ri r f p aa n d d o u b l ec o l o ri r f p aa r es t u d i e d i nt h em i l i t a r ya p p l i c a t i o n so ft h es i n g l ec o l o ri i 之f p a ，t h ea p p l i c a t i o n so fd e t e c t i n g s u b m a r i n e ，i m a g e r yg u i d a n c ea n di n f r a r e dc a m o u f l a g ea r es t u d i e d f i r s t ，t h es c a n n i n g w a yo fd e t e c t i n gs u b m a r i n ew a sd e s i g n e da n dt h ef e a s i b i l i t yt od e t e c tt h es u b m a r i n ei s o b t a i n e db ya n a l y z i n gs i g n a lt on o i s er a t i o ；s e c o n d ，c o n s i d e r i n gt h ep e r f o r m a n c e r e q u e s to fi m a g i n g - g u i d e dm i s s i l e ，t h eb a s i cp a r a m e t e r so fi r f p af o ri n f r a r e di m a g i n g s e e k e r sa r ed i s c u s s e ds u c ha sf o r m a ta n d f n u m b e r ；f i n a l l y ，c o n s i e r i n gt h a tt h ei n f r a r e d i m a g e r yt e c h n o l o g ys t i l lp l a c ei nt h eb a c k w a r d n e s ss i t u a t i o na n di ti si m p o r t a n tt ot a k ea e f f e c t i v ei n f r a r e dc a m o u f l a g ei no u rc o l r r r y , t h ea u t h o rp r o p o s et h em e t h o do ft h e s u i t a b l es c e n e r yi n f r a r e dc a m o u f l a g e t h ei r f p a i m a g i n gs y s t e mg a t h e r i n gi n f o r m a t i o n o ft a r g e ta n db a c k g r o u n da n d c o m p u t e rp r o c e s s i n g ，t h eb e s td i s p o s i t i o na n dt h e c a m o u f l a g ep l a no ft h ep e r s o n n e la n dw e a p o n r yw i l lb ep r o d u c e d ，w h i c hw i l lr e a l i z et h e t a r g e ta n db a c k g r o u n db e s tf u s i o na n da c h i e v et h eb e s tc a m o u f l a g ee f f e c t t h ed o u b l ec o l o ri i u p at h a th a sam o r er e m a r k a b l ep e r f o r m a n c ei s am a i n d e v e l o p m e n td i r e c t i o n ，t h ep a p e rt a k e si ta sa l li n d e p e n d e n tc h a p t e ro fc o n t e n ti nt h e m i l i t a r ya p p l i c a t i o n sa n a l y s i s t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h ed o u b l ec o l o ri i 强p a d e t e c t i o ns y s t e mm a yc a l t yo nt h es u p p r e s s i o nt ot h ec o m p l e xb a c k g r o u n da n de n h a n c e t h ed e t e c t i o ne f f e c t i tc a no b v i o u s l yr e d u c ef a l s ea l a r mr a t ei ns e a r c h i n g t r a c k i n ga n d e a r l yw a r n i n gs y s t e ma n dr e m a r k a b l ye n h a n c et h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fs y s t e m k e yw o r d s ：l r f p am i l i t a r ya p p l i c a t i o n sd e t e c t i n gs u b m a r i n ei n f r a r e d i m a g i n gs e e k e r si n f r a r e dc a m o u f l a g e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表目录 表2 1 典型读出电路的性能参数。1 2 表3 1 不同温差的信噪比计算结果2 2 表3 2 探测率与信噪比关系2 3 表3 3 探测、识别距离与瞬时视场的关系2 4 表3 44 0 3 。视场时红外焦平面阵列的规模2 5 表3 52 5 0 2 5 。视场时红外焦平面阵列的规模2 5 表3 61 5 0 1 5 。视场时红外焦平面阵列的规模2 5 表3 7 光学焦距及相应f 数( 像元尺寸5 0 1 a m 5 0 “m ) 2 6 表3 8 光学焦距及相应f 数( 像元尺寸3 0 9 m x 3 0 9 m ) 2 6 表3 9 不同f 数下的光学衍射限( f 数取自表3 7 ) 2 7 表3 1 0 不同f 数下的光学衍射限( f 数取自表3 8 ) 一2 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 图目录 图2 1 读出电路框图8 图2 2 单元读出电路示意图9 图2 3 红外焦平面阵列结构1 3 图3 1 扫描系统光轴运动轨迹18 图3 2 系统一个周期内在海面扫描过轨迹18 图3 3 红外焦平面成像系统探测潜艇扫描示意图1 9 图3 4 海空下视路径中长波光谱透过率2 0 图3 5 红外焦平面成像制导系统的基本组成2 4 图3 6 红外适景伪装系统工作原理图3 l 图4 1 背入射的h g c d t e 双色探测器剖面图3 4 图4 2 量子阱红外光探测的双色探测器的单元结构3 5 图4 3 同步读出方式双色读出电路3 5 图4 4 双色红外焦平面阵列摄取的m 6 0 坦克图像3 6 图4 5c 0 2 发射谱线附近红蓝光谱辐射度之比3 8 图4 6 “宇宙神 火箭发射时的双波段红外图像3 9 图4 7 “宇宙神”火箭硬体长波图像3 9 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：红处簋壬重隆列挂苤丞基至圭史的应用 学位论文作者签名：赵：矍弛 日期：纱p 饵，月7 f 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名：选壁： 日期：加年乃月；日 日期：加6 年( 7 - 月弓f 日 国防科学技术大学研究生院1 二程硕士学位论文 第一章绪论 自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度( 0 k ) ，就总是在不断地 发射辐射能。因此，从原理上讲，只要能收集并探测这些辐射能，就可以通过探 测器信号的采集和处理形成与景物辐射分布相对应用的热图像。这种热图像再现 了景物各部分的辐射起伏，因而能显示出景物的特型。红外探测器就是这样一种 将不可见的红外辐射转换为可见或可测量信号的器件。 红外探测器是红外探测技术的核心，它担负着实现对目标的热信息的探测和 转换任务，它的性能随着科学技术的发展而得到不断的完善。红外探测器的发展 经历了从单元到焦平面阵列的发展历程，其发展可以分为三个阶段1 2 j ： 第一阶段是6 0 年代中期以前：当时主要的红外探测器是硫化铅( p b s ) 、锑 化铟( i n s b ) 及锗掺汞( g e ：h g ) 几种类型，它们分别工作在l 3um 、3 - 5um 和8 1 2um 三个大气窗口。这些红外探测器受背景和气象条件的影响较大，抗干 扰能力弱，使其应用受到极大的限制。 第二阶段是6 0 年代中期至7 0 年代中期：这一时期的红外探测器是以3 5um 波段为主，并且出现了红外成像技术。 第三阶段是7 0 年代中期至今：在这一段时期，首先研制成功了8 1 2l am 的长 波红外探测器，8 0 年代又研制成功了以碲镉汞( h g c d t e ) 探测器为主的红外焦平 面阵列1 3 j ，9 0 年代中期成功地推出了非制冷红外焦平面阵列。 1 1 红外焦平面阵列技术的发展现状 在红外焦平面阵列的研究与发展方面，美国居于世界领先水平 4 1 ，圣巴巴拉研 究中心先后研制出i n s b 器件、h g c d t e 器件，工作波长为1 3um ，3 5l am 和8 1 2u m ，面元为1 2 8 1 2 8 ，2 5 6 x 2 5 6 元，并且正在进行5 1 2 x 5 1 2 元h g c d t e 器 件和i n s b 器件的研制；得克萨斯仪器公司已研制出h g c d t e ，i n a s s b 3 2 x 3 2 ，6 4 6 4 元的二维器件：洛克威尔国际科学中心研制出短波1 2 8 1 2 8 元器件，其中波 长8 1 2um 的2 5 6 2 5 6 元器件也得到较大的发展；霍克威尔电光部开发出1 2 8 x 1 2 8 元h g c d t e 器件；休斯公司制作了2 5 6 2 5 6 元的混合式阵列。 法国在研制红外焦平面阵列方面占据重要地位，在法国武器管理局的统一管 理下，电子股份有限公司、汤姆逊无线电公司、电子工业研究所及空军试验中心 合资，于1 9 7 8 年建立了红外实验室；1 9 8 6 年成立了法国红外探测器公司及红外 c c d 发展中心，主要发展3 5i lm 和8 1 2l am 的h g c d t e 面阵器件。 第1 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 英国马拉得公司和皇家信号雷达公司在研制h g c d t e 和红外c c d 方面作了大 量的研究工作，已研制出多种信号的中波和长波的1 2 8 1 2 8 元器件。 日本和德国的公司起步较晚，但进步很快，己研制出3 5i xm 波段、元数为 3 2 6 4 ，2 5 6 x 2 5 6 ，3 2 4 4 8 7 元的p t s i 红外c c d 焦平面阵列器件。 我国红外焦平面阵列的研制和应用与国外的差距很大，在8 6 3 国家高科技计 划安排下，近年来在p t s i 红外c c d 、i n s b 焦平面器件和h g c d t e 焦平面器件三 方面已有较大的发展，己研制成功了3 2 3 2h g c d t e 混合式焦平面器件以及6 4 6 4 元i n s b 焦平面器件和1 2 8 1 2 8 元p t s i c c d 器件等。但从总体看来，国内红外 焦平面的发展离实用化较远，还需做出巨大的努力。 从目前发展现状看，先进的红外焦平面阵列技术基本上具备了军事应用所需 的性能要求p j 。 1 1 1 在高温下工作 从军事应用的角度来讲，不受环境温度变化影响和制约的装备易于获得稳定 的性能。目前的光量子类红外焦平面阵列，如p t s i 、h g c d t e 和g a a l a s g a a s 量 子阱等都是已投产和准备投产的品种。为获得良好的系统性能，它们都要求在低 温致冷状况下工作，用杜瓦瓶液氮致冷或小型斯特林致冷器和电子致冷器均可满 足7 7 k 的工作要求，而lum 3um 波段的i n g a a s 焦平面阵列则不用致冷即 可在室温下稳定工作。最近几年以v o 。为代表的非致冷长波红外焦平面阵列技术 的发展己实现了长波红外摄像不用致冷工作方式。 1 1 2 高像素分辨率 高像素分辨率是军用系统中最优先要考虑的重要因素，因为这涉及到系统一 系列性能参数的好坏。目前的红外焦平面阵列像素分辨率极高，不但有第二代t d i 工作模式的阵列，而且6 4 0 x 4 8 0 、1 0 2 4 1 0 2 4 和2 0 4 8 x 2 0 4 8 元的凝视阵列已经 投产，如p t s i 、i n s b 和h g c d t e 与g a a i a s 阵列；同时，分辨率为3 2 0 2 4 0 、 6 4 0 4 8 0 的非致冷红外焦平面阵列已投产或准备投产，1 0 2 4 1 0 2 4 元阵列已在 发展中，非致冷阵列在制作工艺上已趋于成熟。 1 1 3 高n e t d ( 噪声等效温差) 性能 焦平面阵列的n e t d 值是评价系统性能的关键性能参数。目前，光量子类红 外焦平面阵列的n e t d 值范围通常在0 1 k - 4 ) 0 1 k ，使用舵光学透镜时，i n s b 、 g a a i a s 和h g c d t e 的3 2 0 x2 5 6 元阵列和第三代1 0 2 4x7 6 8 元阵列的n e t d 值都 第2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 可达到0 0 1 k ，适合于高性能的系统应用，而非致冷红外焦平面阵列n e t d 为 0 1 k ，满足了中低档的军用装备应用。 1 1 4 双色和多色工作 双色和多色红外焦平面阵列是该技术发展的一个重要方向，这种技术属于下 一代的阵列技术，在军事方面具有极为重要的意义。g a a i a s g a a s 量子阱红外光 电探测器焦平面就是该技术的代表，其双波段的阵列规模已达到6 4 0 5 1 2 元，而 目前一些大公司和研究所正在合作研发1 0 2 4 1 0 2 4 元阵列，如n a s a 的喷气推 进实验室( j p l ) 和麻省理学院林肯实验室合作研发的1 0 2 4 x1 0 2 4 元水平集成四 色q w i p 阵列，目前工作温度约为7 7 k ，未来将有可能达到1 2 0 k ，像素尺寸2 0 l am - 2 5pm 。 1 2 红外焦平面阵列的军事应用 从步枪瞄准具到预警侦察卫星，红外焦平面阵列在军事上得到了日益广泛的 应用【6 】f 7 1 ( 附录a 根据其用途、种类，应用状况等进行了分类整理) 。 1 2 1 精确武器制导 红外焦平面阵列在导弹等精确武器制导方面的应用无疑将大大提高武器系统 的作用距离、精度和抗干扰能力。二维量子型红外焦平面阵列己广泛地用于精确 武器制导邛j 。美国重点发展的新型a i m 9 x 空空导弹，由休斯导弹系统公司研制， 采用的是1 2 8 1 2 8 元i n s b 红外焦平面阵列寻的器，具有精确的目标成像能力，可 使跟踪器能够选择目标上特定点进行瞄准，而不仅是在弹体和尾焰处，具有很高 的抗干扰和杂波抑制性能。首批生产的1 0 0 0 枚a i m 9 x 导弹于2 0 0 1 年交付美国 海军和空军使用，装备在顶级的f 2 2 战斗机和其他先进飞机上。美国“标枪” ( j a v e l i n ) 反坦克导弹系统，由美国雷声公司和洛克希德马丁公司联合研制和生 产，导引头采用6 4 6 4 元长波h g c d t e 焦平面。该导弹已经大量生产并装备美 国陆军和海军陆战队。此次伊拉克战争中，美国海军陆战队大量使用了此种导弹。 1 2 2 侦察和监视 现代侦察技术由于二维焦平面阵列技术的实用化大大改进了侦察系统的空间 分辨力和昼夜工作的能力，传统的机载和星载传感器系统一般使用量子型红外焦 平面阵列。比如在空间预警卫星上，早期使用p b s 线列探测器，以后改用h g c d t e 第3 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 光导、光伏和i n g a a s 光伏线列，目前，美国正在研制结构更加复杂、性能更加先 进的天基红外预警系统( s b i r s ) 。s b i r s 系统采用了可见光探测器和短波、中波、 长波到甚长波的各种型式的红外焦平面，包括6 0 0 0 x1 、7 6 8 x 8 和4 3 2 4 3 2 元 h g c d t e 红外焦平面探测器。非致冷焦平面阵列技术则实现了便携式红外侦察系 统，可单兵携带，提高了部队对隐蔽和夜间条件下进行的军事监视的效果。 1 2 3 武器热成像瞄准器 未来作战中，二十四小时全天候成像装备对提高机械化部队的作战灵活性和 作战能力是十分重要的，步兵军种也极需获得这种热成像装备，提高自身的昼夜 作战能力。作战任务往往在无星夜晚和极为杂乱的战场条件下完成，要随时看到 比敌人或比自己可射击距离更远的地方，这就需要先进红外传感器技术。高性能 红外焦平面阵列为这一大批量的应用提供了可行的支撑技术，满足了这种应用需 求。 欧洲一些国家、美国和加拿大等国都在加紧发展热武器瞄准器技术，皮尔金 顿光电子和马可尼电子系统两家公司合作研制的热武器瞄准器采用2 5 6 1 2 8 元的 非致冷红外焦平面阵列。洛克希德马丁和s f i m 等公司也在加紧发展热武器瞄准 器，前者的这种瞄准器在晴空时的观察距离为5 5 0 - 2 2 0 0 m ，可观察分辨出移动的 人和车辆，使用电池连续工作时间达7 h ：美国的s a n d e r s 公司已研制了采用3 2 0 2 4 0 元非致冷红外焦平面阵列成像轻武器瞄准器，n e t d ( f 1 ，3 0 h z ) 小于2 6 m k 。 1 2 4 车辆驾驶员视觉增强红外观察仪 驾驶员视觉增强器将是红外焦平面阵列未来应用的广大领域。提高车辆驾驶 员在雨雪、灰尘、雾等恶劣天气和黑暗不良条件下行车的能力，唯有红外摄像系 统能满足这一应用，这就是随着红外焦平面阵列技术，特别是非致冷红外焦平面 阵列技术的发展而出现的车辆驾驶员视觉增强红外观察仪系统。这种系统能使车 辆在极为恶劣和全黑暗的条件下行进。 这种驾驶员视觉增强红外热成像观察仪( d v e ) 由热摄像头组件和液晶显示 屏组成。洛克希德马丁和德国s t n a t l a s 公司合作研制的d v e 系统，其非致 冷红外热成像机组件是洛克希德马丁公司提供的s l m l 0 0 型组件，工作波长 7 5 1 4t im ，有效水平视场4 3 。5 0 6 。，阵列像元数为2 7 2 4 5 元，n e t d ( f 1 ， 3 0 h z ) 小于1 0 0 m k ，输入方式r s 1 7 0 1 n t s c 或p a l ，工作电压为4 2 9 v ( d c ) ， 功率小于1 0 w ，该机已在德国形成驾驶员观察仪系列，欧洲和中东的军用车辆准 备选择这种系统。 ， 第4 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 1 3 论文研究的意义和主要工作 红外焦平面阵列技术是蓬勃发展中的军用高新技术，在赢得现代高科技战争 中起到了关键性的作用。研究红外焦平面阵列技术、寻求红外焦平面阵列与武器 系统的最佳结合点，以及在我国红外焦平面阵列技术尚处落后的情况下，研究应 对敌方先进红外成像侦察的方法，对提高我军的作战能力都有一定的指导意义。 作者在深入分析了红外焦平面阵列技术及其军事需求的基础上，分别对常规 的红外焦平面阵列和双色红外焦平面阵列在军事中的应用进行了研究。具体内容 如下： 第一章为绪论，介绍了红外焦平面阵列的发展情况和军事应用情况，分析了 研究红外焦平面阵列技术在军事中应用的意义。 第二章介绍了红外焦平面阵列的工作原理、分类；比较了常用的几种读出电 路的性能；对红外焦平面阵列的工作特性进行了分析。 第三章分析总结了国外红外焦平面阵列在军事中的应用情况，并对红外焦平 面阵列在探测潜艇、成像制导、红外伪装三个领域中的应用进行了研究。 第四章将双色红外焦平面作为研究对象，在分析了工作原理之后，结合不同 的应用进行了分析。 文章最后进行了简要总结。 第5 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第二章红外焦平面阵列技术 红外焦平面阵列就是采用集成电路制造技术的方法制作大规模的红外探测器 阵列。从远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上， 探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲 和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。红外焦平面阵列主要由红外探测 器和具有扫描功能的读出电路部分组成。 2 1 红外探测器 红外探测器是红外焦平面阵列的核心组成部分。就探测机理而言，可分为光 子探测器和热探测器两大类【2 1 。 2 1 1 光子探测器 目前工作于3 5l lm 、8 1 2um 波段的制冷型焦平面阵列都是利用固体的光电 效应来制作的红外探测器，即依赖入射红外光子在探测器中激发产生的载流子， 定向生成的光子电荷数正比于入射红外辐射通量的信号。光电探测器主要有以下 两种【9 1 。 2 1 1 1 光电导型探测器 某些半导体材料，当受到红外线照射时，体内一些电子和空穴从原来不导电 的束缚状态转变到能导电的自由状态，从而使的导电率将明显地增大，这个物理 现象称为光电导效应。利用具有光电导效应的材料制成的红外探测器称为光电导 型探测器。常用的光电导探测器有：p b s 探测器、p b s e 探测器、i n s b 探测器、 h g l 嘱c d x t e 探测器等等。 2 1 1 2 光伏型探测器 一块半导体经过不同掺杂，可形成n 区和p 区。n 区与p 区交界面称为p n 结。p n 结受到光照时，如果入射光子的能量大于材料禁带宽度时，半导体吸收光 子能量将产生电子空穴对。在结区及结区的附近产生电子空穴对要被内建电场分 离，电子被拉向到n 区一侧，空穴被推到p 区一侧。如果p n 结开路，则两端就 会产生电压，这种现象称为光伏效应。利用具有光伏效应的材料制成的红外探测 器称为光伏型探测器。光伏型探测器与光电导探测器件相比，区别在于： ( 1 ) 产生光电变换的部位不同，光电导探测器不管哪一部分受光，受光部分 的电导率就增大，而光伏型探测器只有照射到p n 结区及结区附近的光才能产生光 第6 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 电效应，光在其他部位产生的非平衡载流子，大部分在扩散中被复合掉，只有少 部分通过结区，但又被结电场所分离，因此对光电流基本上没有贡献。 ( 2 ) 光电导探测器没有极性，工作时必须外加电压，而光伏型探测器有确定 的正负极性，在没有外加电压下也可以把光信号转换成电信号。 ( 3 ) 光电导探测器的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运 动，弛豫过程的时间常数较大，频率响应较差；光伏型探测器的光电效应主要依 赖于结区非平衡载流子中部分载流子的漂移运动，电场主要加在结区，弛豫过程 的时间常数相应较小，因此响应速度较快。 常用的光伏型红外探测器有：i n a s 探测器、h 9 1 x c d x t e 探测器、i n s b 探测器 等。由于光伏型探测器的响应速度一般较光电导探测器快，有利于作高速检测， 此外其结构也有利于排成二维焦平面面阵。 2 1 2 热探测器 热探测器利用红外辐射的热效应而工作。当探测器的响应元受到红外辐射后， 其温度升高，引起材料的物理性质发生变化，器件即产生相应的电输出( 完成了 光电转换) ，测量这种输出，即可感知器件接收到的红外辐射。用于非致冷焦平 面阵列( u f p a ) 的热探测器主要有热释电和微测辐射热计两种【l o 】。 2 1 1 1 热释电探测器 热释电探测器的工作原理是应用入射的红外辐射使热释电材料的温度发生变 化，而且使热释电材料的自发极化强度与介电常数随温度变化产生过剩的表面电 荷，通过探测器中的电荷变化来探测红外辐射信号。目前常用的热释电材料有硫 酸三甘肽( t g s ) 、钽酸锂( l i t a 0 3 ) 、铌酸锶钡( s b n ) 、锆钛酸铅( p z t ) 陶 瓷等。对于热释电探测器，其明显的一个特征是需要使用斩波器，才能不断地获 取目标探测信号。 2 1 1 2 微热辐射热计 微热辐射热计由起热敏电阻作用的半导体薄膜材料组成。当半导体薄膜吸收 入射红外辐射时，其温度升高，从而改变薄膜的电阻，致使输出电压改变，输出 电压所达到的稳定值反映了入射辐射功率的大小。微测辐射热计利用其材料的电 阻阻值的变化对应于入射辐射引起的温升变化来获取探测信息，不需要斩波器是 它的优势。通常都选用氧化钒( v o x ) 作为微热辐射计u f p a 的热敏电阻材料，这 是因为这种材料具有很高的电阻温度系数t c r ( 2 0 o - - , 3 ) 、较高的吸收系数和电 阻率，以及容易制造。微热辐射计u f p a 工作时不需要斩波器调制，但需对其工 第7 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 作温度加以稳定。 2 2 红外焦平面阵列读出电路 红外焦平面阵列中有成千上万个探测器同时工作，受限于引线数目，阵列中 的探测器只能采取电荷存贮( 积分) 工作方式而非连续方式。所谓积分工作方式， 就是在给定的帧频时间内对目标场中各点的空间信号同时进行积分并保持，然后 依次从一根或几根输出线连续读出。电荷存贮工作方式不但克服了引线困难，同 时也大大提高了信噪比，降低了对读出电路增益带宽积的要求，从而减小了读出 电路的设计和制造难度。从另一角度来看，积分工作方式是以时间为代价换取了 输出信号的高信噪比。图2 1 为典型的读出电路结构框图，它由像元电路、水平 和垂直移位寄存器、采保、列放大和公共输出放大级等几部分组成。 图2 a 读出电路框图 8 读出电路视不同的探测器、不同的应用限制和不同的应用要求，应选用不同 的电路结构。其典型的电路形式如图2 2 所示【1 1 】，每个电路的特点简述如下。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 ( a ) s i ( d ) f e d i - ：= ( g ) c t i a ( b ) s f d( c ) d i 箩一j 置 一= ( e ) c m( f ) r l = = ( h ) r t i a 图2 2 单元读出电路示意图 2 2 1 自积分型读出电路( s ir o i c ) 在所有读出电路结构中，自积分( s i ) 电路最为简单，仅一个m o s 开关元 件，其像元面积可以做得很小。在s i 电路中，光生电流( 或电荷) 直接在与探测 器并联的电容上积分，然后通过多路传输器把积分信号输出。此读出电路的输出 信号通常是取其电荷而非电压，其后仅适宜接电荷放大器，在每帧结束时需由像 元外的电路对积分电容进行复位。积分电容主要由探测器自身的电容组成，但也 包括与之相连的一些杂散电容。在某些探测器中，此电容可能是非线性的，随积 分电荷的增加探测器两端的电压增加，致使探测器的偏置发生变化，这些都可能 引起输出信号的非线性。该电路的另一个缺点是无信号增益，易受多路传输器和 列放大器的噪声干扰。 2 2 2 源随器型读出电路( s f dr o i c ) 为了给多路传输器提供电压信号，并增加驱动能力，往往在s i 后加缓冲放大 器。实现此功能的通常方法是在每个探测器后接一个m o s f e t 源随器( s f d ) ， 第9 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 即构成源随器型读出电路。源随器型读出电路是一种直接积分的高阻抗放大器， 探测器偏压由复位电平决定，故不存在探测器偏压初值不均匀的问题。但偏压会 随积分时间和积分电流变化，引起探测器偏置变化。s f d 电路在很低背景下s n 基本能够满足工作的需要，但在中、高背景下，与s i 读出电路一样，也有输出信 号非线性严重的问题，并且源随器m o s 管的1 f 噪声和沟道热噪声也是主要的 噪声源。 2 2 3 直接注入读出电路( d ir o i c ) 直接注入( d i ) 电路是探测器阵列使用最早的读出前置放大器之一。它首先 用于c c d 红外焦平面阵列，现也用于c m o s 红外焦平面阵列。在此电路中，探 测器电流通过注入管向积分电容充电，实现电流到电压的转换，电压增益的大小 与积分电容的大小有关，当然也受电源电压的限制。此电路在中、高背景辐射下， 注入管的跨导较大，这主要是因积分电流较大的缘故。此时，可为探测器提供较 低的读出电路输入阻抗，以提高光生电流的注入效率。在低背景下，因注入管的 跨导减小，使读出电路的输入阻抗增大，会降低光生电流的注入效率。在一定的 范围内，d i 电路的响应基本上是线性的。但因各像元注入管阈值电压的不均匀性， 会在焦平面阵列输出信号中引入空间噪声。 2 2 4 反馈增强直接注入读出电路( f e d ir o i c ) 反馈增强直接注入电路( f e d i ) 是以d i 读出电路为基础，在注入管栅极和 探测器间跨接一反相放大器，其目的是在低背景下，进一步降低读出电路的输入 阻抗，从而提高注入效率。同时反相放大器又起到稳定了探测器的偏置的作用， 这样，可使探测器偏置不随输入光电流变化而波动，进而减小了因偏置波动而引 起的探测器暗电流变化。视反馈放大器的增益不同，f e d i 的最小工作光子通量范 围可以比d i 低一个或几个数量级，响应的线性范围也比d i 的更宽。但f e d i 读出电路使像元的功耗和面积也随之增加了，并且该读出电路没有抑制背景噪声 的能力，即在高背景的应用中，往往因背景电流过大，致使积分电压很快饱和， 进而使读出电路丧失探测信号的能力。 2 2 5 电流镜栅调制读出电路( c mr o i c ) 电流镜栅调制电路( c m ) 可使读出电路在更高的背景辐射条件下工作。通常 的读出电路其积分电容是在像元电路内，因受面积的限制，故不可能做得很大。 c m 读出电路可避免像f e d i 在高背景的应用中易饱和的情况发生，因为这种电路 第l o 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 的电流增益与探测器输出电流的平方根成反比例关系，即随探测器输出电流的增 大，电流增益自动减小。c m 电路不能为探测器提供稳定和均匀的偏置，其响应 也是非线性的。因而，此读出电路的总体性能受限。 2 2 6 电阻负载栅调制读出电路( r lr o i c ) 电阻负载栅极调制电路( r l ) 的思想和目的与c m 几乎一样，其效果也差不 多，只是因用电阻代替m o s 管可使像元1 f 噪声更小，并提高了探测器偏压的 均匀性。由于大电阻的制造与数字c m o s 工艺是不兼容的，r l 的阻值不可能很 大。因电路结构的原因，当探测器电流, 1 e 4 , 时，此读出电路的均匀性和线性度都 相当差。在大多数的应用中，需要对输出增益和偏移进行校正才能获得满意的效 果，故此类读出电路不见常用。 2 - 2 7 电容反馈跨阻抗放大器( c t i ar o i c ) c t i a 是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器，探测器电流在反馈电 容上积分，其增益大小由积分电容确定，它可以提供很低的探测器输入阻抗和恒 定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声，其 输出信号的线性度也很好【1 2 】。此电路的功耗和芯片面积较一般的电路大，复位开 关也会带来c k t 噪声，这也许是它众多优良性能中的一点不足之处。 2 2 8 电阻反馈跨阻放大器( r t i ar o i c ) r t i a 和c t i a 相似，只是由电阻代替了积分电容和复位开关。此电路无积 分功能，故只能提供与探测器电流成比例的连续输出电压，如要提供高的输出增 益，需要大的反馈电阻，大的电阻占用芯片面积大，且不适宜数字c m o s 工艺， 读出电路阵列几乎不用此电路结构。 可用如表2 1 所示的内容概括以上八种典型读出电路的性能和特点，可根据 不同的应用和性能需求选用不同的电路形式。当然，表中某些性能参数也不是一 成不变的，可随工艺水平的发展而变化，如单元面积和成本会随集成电路工艺的 进步而得到缓解。最后要指出的是，这些基本电路形式通过某些变化和组合可衍 生出新的性能更好的读出电路。 第11 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 表2 1 典型读出电路的性能参数 动态均匀最大单元 电路 噪声线性度功率成本 范围性通量面积 s i 低局差差低低很小低 好低好低 s f d低中中低 很小 低 背景背景 差不 好高 d i 中中低中高很小低 错背景 不错好中 f e d i 高低中中高中中大中 好高背景 中高 c m 低高差中很高小低 背景 r l 低高差中低中很高小低 c t i a 两低好很好中高中高中大中 i 之t i a 高低好很好两问很大高 2 3 红外焦平面阵列的分类 红外焦平面阵列可按制冷方式、结构、成像方式、工作波长等进行分类。 2 3 1 根据制冷方式分类 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。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，所以为了提高探测仪的精度 就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到 1 0 1 1 c m h z l 陀w ，而非制冷型的探测器为1 0 9 c m h z l 陀w 一，相差为两个数量级。不仅 如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒 级。 一般来说，绝大多数光子探测器必须在低温下工作，制冷温度视探测器的材 料而定；热探测器可以在低温下也可以在室温下工作。 2 3 2 根据结构分类 从结构来看，主要有单片式和混合式两种【1 4 】。单片式焦平面阵列是指，选择 具有合适光谱效应的本征红外探测器材料为衬底，在它上面制造探测器和读出电 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 路( 如p t s i ) 。如图2 3 ( a ) 所示( 但后续信号处理电路并不一定要与探测器和 读出电路在同一衬底上) 。由于结构和工艺的原因，单片式焦平面阵列的性能很 难尽如人意。混合式焦平面阵列如图2 3 ( b ) 所示，它是因铟柱技术的发明而得 以实现的。在混合式焦平面阵列中，探测器阵列和读出电路阵列分别在不同的衬 底上制作，然后通过铟柱互连。这样，就可使探测器阵列和读出电路阵列分别选 用最佳材料和最佳工艺制作，且分别测试以确保各自的性能后才互连在一起，这 样可以提高互连后焦平面的整体性能。这种结构是红外焦平面阵列的主流结构。 读出电路 探测器阵列 【二= 二l ( a ) 单片式 2 3 3 根据成像方式分类 图2 3 红外焦平面阵列结构 ( b ) 混合式 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间 延迟积分技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一 张图像，无需延迟积分，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫 描型成像速度快，但是其需要的成本高，电路也比较复杂。 2 3 4 根据工作波段分类 由于运用卫星及其它空间工具，通过大气层对地球表面目标进行探测，只有 穿过大气层的红外线才会被探测到人们发现了三个重要的大气窗口：1l - tm - 一31 tm 的短波红外3um 5l - tm 的中波红外、8pm 1 4um 的长波红外，由此产生三种 不同波长的探测器。 2 4 红外焦平面阵列的性能分析 与采用单元探测器的