0 引言

紅外探測(cè)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(cè)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(lái)，紅外探測(cè)器的需求不斷增加。據(jù)美國(guó)相關(guān)公司市場(chǎng)調(diào)研分析師預(yù)測(cè)，全球軍用紅外探測(cè)器需求額有望在2020年達(dá)到163.5億美元，復(fù)合年均增長(zhǎng)率為7.71%。

紅外探測(cè)器按探測(cè)機(jī)理可分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)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(cè)器是否需要致冷，分為致冷型探測(cè)器和非致冷型探測(cè)器。非致冷探測(cè)器目前主要是非晶硅和氧化釩探測(cè)器，致冷型探測(cè)器主要包括碲鎘汞三元化合物、量子阱紅外光探測(cè)器Ⅱ類超晶格等。

在過(guò)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(cè)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(cè)器應(yīng)用現(xiàn)狀

熱探測(cè)器的應(yīng)用早于光子探測(cè)器。熱探測(cè)器包括熱釋電探測(cè)器、溫差電偶探測(cè)器、電阻測(cè)輻射熱計(jì)等。熱探測(cè)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(cè)率低，目前主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。光子探測(cè)器是基于光電效應(yīng)制備的探測(cè)器，通過(guò)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(cè)器占據(jù)主導(dǎo)地位。常用的光子探測(cè)器有碲鎘汞（HgCdTe）、InAs / InGaSb Ⅱ類超晶格、GaAs / AlGaAs量子阱等。近年來(lái)量子點(diǎn)紅外光探測(cè)器也引起廣泛關(guān)注，量子點(diǎn)紅外光探測(cè)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(cè)器與理論預(yù)測(cè)的還是有一定差距。表1對(duì)幾種常用的光子型焦平面紅外探測(cè)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(shì)，在某些特定的場(chǎng)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(cè)相比，紅外探測(cè)是被動(dòng)探測(cè)，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(cè)器的工作波長(zhǎng)比雷達(dá)探測(cè)的微波要短 3 到4 個(gè)量級(jí)，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(cè)還具有準(zhǔn)確可靠、保密性好、抗電子干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。例如在電子、光電對(duì)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(chǔ)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(guó)外對(duì)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(lái)空戰(zhàn)中的地位將有所提升。

國(guó)外第四代空空導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中，如美國(guó)的響尾蛇、英國(guó)阿斯拉姆、俄羅斯R-73、法國(guó)米卡紅外型、德國(guó)依爾伊斯特、以色列“怪蛇”系列等最新型號(hào)都采用了基于焦平面紅外探測(cè)的紅外制導(dǎo)技術(shù)。國(guó)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(cè)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(cè)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(jí)設(shè)備將用于美國(guó)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(cè)、測(cè)距和激光指示。美國(guó)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(cè)和識(shí)別范圍、先進(jìn)激光指示能力、遠(yuǎn)離海岸行駛的精確評(píng)估、光電和紅外成像的目的。

2 焦平面紅外探測(cè)器研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)研制焦平面紅外探測(cè)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(guó)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(cè)器的研制方面，包括材料生長(zhǎng)、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(kāi)展了深入的研究。

目前，焦平面紅外探測(cè)器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，國(guó)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(cè)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(lái)，國(guó)內(nèi)已建有具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的8英寸0.25μm非致冷紅外探測(cè)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(cè)器及Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器短波、中波和長(zhǎng)波產(chǎn)品均已面世，這些成果對(duì)于提升國(guó)家自主創(chuàng)新能力和國(guó)家戰(zhàn)略裝備的研制具有重要意義。總體來(lái)看，國(guó)產(chǎn)焦平面紅外探測(cè)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(guó)產(chǎn)化。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

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

美國(guó)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(duì)現(xiàn)有的地基和機(jī)載戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)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(cè)器領(lǐng)域，Raythen公司正在與美國(guó)陸軍夜視與電子傳感器管理局及美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）聯(lián)合研制2048 × 1536（三百萬(wàn)像元級(jí)）非致冷焦平面陣列。

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

法國(guó)Sofradir公司的紅外探測(cè)器產(chǎn)品較多，包括HgCdTe，InSb，InGaAs，QWIP 以及微測(cè)輻射熱計(jì)，覆蓋了短波紅外、中波紅外、長(zhǎng)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(cè)器，該探測(cè)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(lái)研制陸基、機(jī)載和艦載軍事系。

3存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

目前主流的焦平面紅外探測(cè)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(cè)器材料均勻性相對(duì)較差，Ⅱ類超晶格探測(cè)器分子束外延生長(zhǎng)工藝不夠成熟，量子阱紅外探測(cè)器不吸收正入射光，量子效率相對(duì)較低，量子點(diǎn)紅外探測(cè)器也存在量子點(diǎn)材料不均勻的問(wèn)題。除此之外，不同材料制備的焦平面紅外探測(cè)器還存在一個(gè)共性的問(wèn)題，那就是焦平面紅外探測(cè)器存在成像非均勻性問(wèn)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(wèn)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(cè)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(wú)效探測(cè)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(cè)器耦合非均勻性的影響。非均勻性影響測(cè)量精度，特別是在弱信號(hào)探測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)景類校正法不需定標(biāo)，可依據(jù)場(chǎng)景的變化自適應(yīng)計(jì)算各個(gè)探測(cè)單元的增益和偏執(zhí)系數(shù)，但是場(chǎng)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(kāi)展紅外探測(cè)器成像非均勻性參數(shù)校正的新方法研究以及探測(cè)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(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先是探測(cè)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(lái)越小，陣列規(guī)模越來(lái)越大。目前的長(zhǎng)波紅外器件規(guī)模可以達(dá)到640 × 512，中、短波器件規(guī)?？梢赃_(dá)到1024 × 1024 甚至4096 × 4096，Sofradir 公司生產(chǎn)的DAPHNIS 型HgCdTe 探測(cè)器，其像元間距僅為10μm。其次是非致冷型紅外探測(cè)器研究熱度增加，與致冷型紅外探測(cè)器相比，非致冷型紅外探測(cè)器探測(cè)精度略差，但是由于沒(méi)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(shì)。最后是多波長(zhǎng)焦平面紅外探測(cè)成為研究熱點(diǎn)。單一波長(zhǎng)的紅外探測(cè)容易受外界環(huán)境干擾導(dǎo)致探測(cè)能力和準(zhǔn)確度下降，在紅外制導(dǎo)武器中，單一波長(zhǎng)的紅外探測(cè)器一旦受對(duì)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(cè)，可以有效地避免外界干擾，降低虛警率，提高系統(tǒng)對(duì)假目標(biāo)的鑒別能力，滿足未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的需要。例如，荷蘭的IRSCAN 和法國(guó)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(cè)。

4總結(jié)

紅外探測(cè)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(cè)器的制備方面，國(guó)內(nèi)焦平面紅外探測(cè)器生產(chǎn)能力迅速提高，但總體上，國(guó)內(nèi)與國(guó)外還存在一定的差距。焦平面紅外探測(cè)器存在成像非均勻性的問(wèn)題，對(duì)焦平面陣列紅外探測(cè)器進(jìn)行非均勻性校正可以極大提高其探測(cè)精度。非致冷型焦平面紅外探測(cè)器研究熱度增加，高集成度、多波長(zhǎng)探測(cè)也是焦平面紅外探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)。