光电器件在航天领域中的应用

光电器件及其在航天领域中的应用 光电（photoelectricity）是指由光的作用产生的电，具体来说就是以光电子学为基础，综合利用光学、精密机械、电子学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科。信息载体正在由电磁波段扩展到光波段，从而使光电科学与光机电一体化技术集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等的光电信息产业上。半导体光电器件是把光和电这两种物理量联系起来，使光和电互相转化的新型半导体器件。光电器件主要有，利用半导体光敏特性工作的光电导器件，利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。一、光电导器件。光电导器件是利用半导体材料的光敏特性，即当半导体材料受到一定波长光线的照射时，其电阻率明显减小，或说电导率增大的特性。这个现象也叫半导体的光电导特性。利用这个特性制作的半导体器件叫光电导器件。半导体材料的电导率是由载流子浓度决定的。载流子就是由半导体原子 逸出来的电子及其留下的空位- 空穴。电从原子中逃逸出来，必须吉凶服原子的束缚而做功，而光照正是向电子提供能量，使它有能力逃逸出来的一种形式。因此，光照可以改变载流子的浓度，从而必变半导体的电导率。光电导器件主要有光敏电阻、光电二极管光电三极管等。1. 光敏电阻。这是一种半导体电阻。在没有光照时，电阻很大；在一定波长范围的光照下，电阻值明显变小。制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化铟、硫化铅、硒化镉、硒化铅等。硫化镉光敏电阻对可见光敏感，用硫化镉单晶制造的光敏电阻对X射线、射线也敏感；硫化铅和锑化铟对红线外线光敏感。利用这些光敏电阻可以制成各种光探测器。感光面积大的光敏电阻，可以获得较大的明暗电阻差。如国产625-A型硫化镉光敏电阻，其光照电阻小于50千欧，暗电阻大于50兆欧。2光电二极管光电二极管的管芯也是一个PN结，只是结面积比普通二极管大，便于接收光线。但和普通二极管不同，光电二极管是在反向电压下工作的。它的暗电流很小，只有0 1微安左右。在光线照射下产生的电子-空穴对叫光生载流子，它们参加导电会增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关，因此，反向饱和电流会随着光强的变化而变化，从而可以把光信号的变化转为电流及电压的变化。光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪器中，还可以作为光导纤维通信的接收器件。3光电三极度管：光电三极管的结构与普通三极度管相同，但基区面积较大，便函于接收更多的入射光线。入射光在基区激发出电子-空穴时，形成基极电流，而集电极电流是基极电流倍，因此光照便能有效地控制集电极电流。光电三极管比光电二极管有更高的灵敏度。二、光伏打器件-硅光电池半导体PN结在受到光照射时能产生电动势的效应，叫光伏打效应。硅光电池就是利用光伏打效应将光能直接换成电能的半导体器件。硅光电池就是一个大面积PN结。光照可以使薄薄的P型区产生大量的光生载流子。这些光生电子和空穴，会向PN结方向扩散。扩散过程中，一部分电子和空穴复合消失，大部分扩散到PN结边缘。在结电场的作用下，大部分光生空穴被电场推回P型区而不能穿越PN结；大部分光生电阻却受到结电场的加速作用穿越PN结，到达N型区。随着光生电子在N型区的积累及光生空穴在P型号区的积累，会在在PN对的两侧产生一个稳定的电位差，这就是光生电动势。当光电池两端接有负载时，将有电流流过负载，起着电池的作用。硅光电池的用途极度为广泛。主要用于下述几个方面：能源-硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造成卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源；也可做电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。光电检测器件-用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光准直、电影还音等设备的光感受器。光电控制器件-用作光电开关等光电控制设备的转换器件。三、半导体发光器件半导体发光器件是一种将电能转换成光能的器件。它包括发光二极管、红外光源、半导体发光数字管等。1发光二极管发光二极管的管芯也是一个PN结，并具有单向导电性。PN结加上正向电压时，电子由N区渡越（扩散）到空间电荷区与空穴复合而释放出能量。这些能量大部分以发光的形式出现，因此，可以直接将电能转换成光能。发光二极管的发光颜色（波长），困半导体材料及掺杂成分不同而不同。常用的有黄、绿、红等颜色的发光二极管。发光二极管工作电压很低（1 5-3伏），工作电流很小（10-30毫安），耗电极省。可作灯光信号显示、快速光源，也呆同时起整流和发光两种作用。2发光数字管把磷化镓发光管或磷化镓发光管的管芯制成条状，用七条发光管组成七段式数字显示管，可以显示从0到9的十个数字。这种半导体数字显示管的优点是体积小、耗电省、寿命长、响应速度快。它可以作为各种小型计算器及数字显示仪表的数字显示用。3光电耦合器把半导体发光器件和光敏器件组合封闭装在一起，就组成了具有电-光-电转换功能的光电耦合器。显然，给耦合器输入一个电信号，发光器件就发光，光被光接收器件接收后，又转成换成电信号输出。因为输入主输出之间用光进行耦合。所以输出端对输入端没有反馈，具有优良的隔离性能和抗干扰性能。光电耦合器又是光电开关，这种光电开关不存在继电器中机械点易疲劳的问题，可靠性很高。光电器件是构成光电式传感器与探测器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和控制系统中， 应用非常广泛。本文主要概括的是光电器件在航天领域中的应用。进入二十一世纪以来，世界航天活动呈现蓬勃发展的新态势主要航天国家相继制定或调整航天发展战略、发展规划和发展目标，航天事业在国家整体发展战略中的作用日益突出，航天活动对人类文明和社会进步的影响进一步增强。 而中国的航天事业，在它走过的五十年光辉历程当中，一直稳步发展，如今已经取得举世瞩目的成就，在若干重要技术领域已跻身世界先进行列。中国积极探索和利用外层空间，不断为人类航天事业的发展作出新的贡献。详细来说，中国航天事业在最近几年实现了快速发展，取得一系列新成就。建成一批具有世界先进水平的研制和试验基地，进一步完善研究、设计、生产和试验体系，航天科技基础能力显著提高；空间技术整体水平明显提升，攻克一批重大关键技术，载人航天取得历史性的突破，月球探测工程全面启动；空间应用体系初步形成，应用领域进一步拓展，应用效益显著提高；空间科学实验与研究取得重要成果。 尤为突出的是中国的载人航天技术。1999年11月20日至21日，中国成功发射并回收第一艘“神舟”号无人试验飞船，之后又成功发射三艘“神舟”号无人试验飞船。2003年10月15日至16日，发射并回收“神舟”五号载人飞船，首次取得载人航天飞行的成功，突破了载人航天基本技术，成为世界上第三个独立开展载人航天的国家。2005年10月12日至17日，“神舟”六号载人飞船实现“两人五天”的载人航天飞行，首次进行有人参与的空间试验活动，在载人航天领域取得又一个重大成就。2008年9月27日，执行神舟七号载人航天飞行出舱活动任务的航天员翟志刚出舱后挥动中国国旗，中国首次实现太空行走。以上的举例直观的向我们展现出了近些年来中国在航天事业中的飞速发展。然而任何小小的进步都离不开科技的辅助。随着高新科技的发展，我国的航天事业发展也如虎添翼，而在此之中默默贡献的当然也包括光电器件。由光电器件所制成的航天产品应用于航天事业的各个领域之中，主要包括雷达探测以及图像记录等等。雷达探测的主要原理为用红外、激光、可见光制导与探测系统，其主要系统级产品包括红外成像跟踪器、红外成像导引头、可见光下视景象匹配系统、激光引信、激光成像雷达。而特种光学元件、特种光电器件在特定的领域也有着无可取代的作用。其主要系统级产品包括光电载荷光学元件/组件、激光陀螺光学本体、红外头罩、各种光学元件及光学镜头、光学薄膜光电器件/组件、ICCD相机、卫星探测器组件、激光探测器组件、光纤陀螺SLD和Y波导器件。下面举例说明，首先介绍红外探测技术在军事航空领域的应用。任何物体，只要其温度高于绝对零度，就会发出红外辐射，其他部位温度不同，辐射率不同，就会形成物体的红外图像，经过大气传输，就能被红外探测设备所探测，经光电转换，成为人眼可观察的图像，这完全是被动探测的过程。红外探测器是一种辐射能转换器,主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能,热能等其他形式的能量。红外探测技术的主要优点在于符合隐身飞机自身高度隐蔽性的要求，即被动探测、不辐射电磁波，而且由于工作波长较微波雷达短34个数量级，可以形成高度细节的目标图像，目标分辨率高。随着隐身技术的发展，红外探测系统正逐步成为新一代战斗机的主要传感器之一，与电磁微波雷达处在了同样重要的位置。到目前为止，红外探测技术已发展到第四代。第四代前视红外体现在中波和长波波段的同时工作能力，最近出现的多量子阱红外探测器为这种双波段探测器提供了一种方法。具有不同光谱灵敏度的多量子阱层可以在纵向集成的结构中生长，通过在多量子阱叠层的中波红外和长波红外部分产生分开的接触层，实现了精确的像元匹配。多量子阱技术为人们提供了一种容易生产的多色焦平面阵列。这种技术允许人们对两种或者更多的颜色同时进行积分和读出，每一种颜色都在同一个焦平面阵列上得到像元配准。这种像元配准多色焦平面阵列提高了系统的性能，同时也大大简化了系统其他元件的设计，简化了现有多色设计中的多个焦平面阵列、扫描器、致冷器等，可降低系统的成本，减轻系统的重量，缩小体积，并能减轻计算机的处理负担，适合在军事航空领域的应用。除了红外探测技术之外，基于光学联合变换相关器的像移探测技术在航空领域也有着广泛的应用。众所周知，在星载等成像设备中，由于载体的运动，往往会给成像物体带来像移，引进运动模糊，降低了图像的分辨率，也给人眼带来视觉疲劳。为了提高系统的分辨率和观看的舒适性，需要对成像系统进行稳像，于是基于光学联合变换相关器的像移探测技术便应运而生了。针对稳像中运动矢量的求取，提出了一种基于光学联合变换相关器的像移探测技术。 给出了基于光学联合变换相关器的像移探测原理，并给出了仿真结果，为了验证联合变换相关器的探测准确度，进行了实验验证，验证结果表明探测最大误差为0. 8 个像素。 结果表明,光学联合变换相关器能够很好地探测出运动矢量，进而完成图像稳定工作。基于硬件的光学相关器探测位移矢量比单纯的软件算法提取位移矢量具有更快的特点,满足实时性的要求,探测所得的运动矢量亦更加精确。与探测器相呼应的就是光电器件制成的雷达系统。其中激光成像雷达最为典型。激光成像雷达是一种机载雷达，采用激光脉冲压缩技术来获得窄脉冲以实现举例上的高分辨率，采用合成孔径技术和相应的处理系统来获得窄波束以实现方位上的高分辨率，激光成像雷达取图的物理是指就是在波束照射的区域范围内，接收不同反射特性的地物回波，然后将接收到的地物回波的幅度信息和相位信息记录在胶片上，形成一张全息波片图。下面再介绍一下红外和激光技术在民用飞机着陆系统中的应用。据统计，飞机的大多数重大事故都发生在进场阶段。进场和着陆制导系统对保证飞机安全、使其不受恶劣气象条件的影响是很重要的。目前国际上自动着陆系统发展很快，先进的微波着陆系统逐渐取代仪表着陆系统，但这种非自主式的着陆系统，需要地面上安装一套发射装置，机上安装一套接收设备，这就带来了不便。同时在飞行阶段，进场着陆时，飞机的操纵是很困难的，尤其是在恶劣的天气条件之下。为此，提出发展自主式着陆系统红外与激光着陆系统。这种系统，不需要地面设备，仅靠机载设备就可以完成着陆。它借助于机场跑道热辐射出的红外光，通过红外系统的光学部分进入红外探测器，把光信号变成电信号成像于显像管上，将跑道直观地显示在驾驶员前面，便于操纵和调整。前视红外测出目标的角位置，激光测出目标的距离，输给着陆计算机，完成着陆任务。红外与激光着陆系统分侧向和纵向两个控制系统完成着陆。当飞机处在机场上空某一