阵列探测器

阵列探测器

1、红外技术概述

红外技术（Infrared Technique）是研究红外辐射的产生、传输、转换、探测及应用的一种高新技术。军事应用是推动红外技术发展的主要动力，在历次战争中，红外技术都曾显示出巨大的威力，它已经成为现代战争和未来战争中必不可少的战术手段和军事装备的重要组成部分，例如在作战时，导弹和战斗机平台的雷达面积呈现显著减小的趋势，无法用无线电来比较准确的探测目标，相反地，此类探测目标由于是高速运动的，所以它与空气的摩擦和其发动机的机尾焰都会产生强烈的红外辐射，红外系统可以对其进行探测[1, 2]。

另一方面，由于红外技术的独特功能，近年来，军用红外技术已逐步实现了向民用部门的转化，在各行各业中发挥着日益重要的作用，已经是各个民用部门争相选用的先进技术，例如在矿山的施工中，可以用高温度分辨红外热像仪对岩体进行实时监测，及时发现裂缝和危石、检测供电设备的运行状况、判断电气故障、观测顶底板围岩的破碎情况，有效地避免煤矿塌陷、自然等事故的发生[3]。

2、红外成像探测技术[3]

自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度，就总是在不断地发射辐射能。使用探测器来收集并探测这些辐射能，就可以通过回复来自探测器的信号形成与物体红外辐射分布相对应的红外图像。这种红外图像再现了景物各部分的辐射起伏情况，因而能显示出来景物的特征[4]。

当物体的内部发生改变时，其表面的热辐射也会随之发生变化。因此，通过探测物体发射出的热辐射，就可以对其内部的状态做出判断。红外热成像技术正是应用了这一理论，将来自目标景物的红外辐射聚焦到红外探测器上，并把红外辐射转换为电信号或视频信号，经过后续处理，从而形成可见光图像显示出来。

红外热成像技术实质上式一种波长转换技术，即把红外辐射转换为可见光的技术。红外热成像系统收集物体的热辐射来形成图像，利用物体本身各部分辐射的差异获得图像的细节。热成像系统本身并不主动向被测物体发送成像所需的辐射，所以其隐蔽性较强。不仅如此，它还具有可以穿透烟、雾、霾、雪等天气情况限制以及识别伪装的能力，在战场上不受强光、闪光的干扰，可以实现远距离、全天候观察。这些特点使热成像系统特别适合军事应用[5]。

红外成像技术历经四十多年的发展，得到了长足的进步，有着极为广泛应用。在军事领域中应用于目标的侦察、探测、搜索和跟踪等各个领域，成为获得战场信息的一个重要手段。此外，红外热成像技术在工业、医学和科学研究等许多方面也广为使用，例如红外遥感、医用热像仪、温度测量与过程控制、红外光谱分析、红外加热干燥、红外天文学等等。

3、红外探测器及其发展与趋势

红外探测器是将不可见的红外辐射转换为可见或可测量信号的器件，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改善。60年代中期以前，主要的红外探测器是硫化铅（PbS）、锑化铟（InSb）及锗掺汞（Ge：Hg）几种类型，它们工作在1-3μm、3-5μm和8-12μm三个大气窗口。这些红外探测器受背景和气候条件的影响较大，抗干扰能力弱，使其应用受到极大的限制。60年代中期至70年代，红外探测器以3-5μm和8-12μm波段为主，并且出现了红外成像技术。80年代又研制成功了以碲镉汞（HgCdTe）探测器为主的红外焦平面阵列，90年代中期

成功地推出了非制冷红外焦平面阵列。

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l4]，圣巴巴拉研究中心先后研制出Insb器件、HgedTe器件，工作波长为l-3μm，3-5μm 和8-12μm，面元为128 x 128，256 x 256元，并且正在进行512 x 512元HgCdTe 器件和insb器件的研制；得克萨斯仪器公司已研制出HgCdTe，InAsSb32X32，64x64元的二维器件；洛克威尔国际科学中心研制出短波128x128元器件；霍克威尔电光部开发出128 x 128元HgCdTe器件；休斯公司制作了256 x 256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1978年建立了红外实验室；1986年成立了法国红外探测器公司及红外CCD发展中心，主要发展3-5μm和8-12μm的HgCdTe面阵器件。

英国马拉得公司和皇家信号雷达公司在研制HgcdTe和红外CCD方面作了大量的研究工作，己研制出多种信号的中波和长波的128 x 128元器件。

日本和德国的公司起步较晚，但进步很快，己研制出3-5μm波段、元数为32x64，256x256，324x487元的PtSi红外CCD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863国家高科技计划安排下，近年来在PtSi红外CCD、InSb焦平面器件和HgCdTe焦平面器件三方面己有较大的发展，己研制成功了32x32HgcdTe混合式焦平面器件以及64x64元InSb焦平面器件和128x128元PtSi-CCD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。

红外探测器技术，尤其是红外焦平面技术发展迅速。第一代红外热成像系统以数目有限的探测单元或者线阵为特征，借助光机扫描来实现对图像的探测，同时，还需要低温致冷器来协同工作；第二代以二维M×N 元红外焦平面阵列探测器为特征，探测单元数目一般在万个以上，并且自带有信号读出电路；第三代称为凝视型大阵列焦平面，其特征是集成了探测器后续的信号处理电路，包括信号读出电路、前置放大器、模数转换器和图像处理电路等。目前，红外焦平面阵列技术正在由第二代阵列技术向第三代微型、高密度和高性能的方向发展[6]。

1. 吕立波, 红外探测技术的发展及应用.中国公共安全, 2007(06B): p. 93-96.

2. 蔡毅and 潘顺臣, 红外技术在未来军事技术中的地位和作用.红外技术, 1999. 21(3): p.

1-7.

3. 李兴春and 李兴高, 红外探测技术在煤巷突水预报中的应用.红外技术, 2008. 29(2): p.

118-120.

4. 宜禾, 西安电子科技大学, and 无线电电子学, 红外系统. 1985: 国防工业出版社.

5. 敬贤, et al., 微光与红外成像技术. 1995: 北京理工大学出版社.

6. 孙志君, 红外焦平面阵列技术的发展现状与趋势.光机电信息, 2002. 3: p. 8-12.