0 引言

紅外探測器廣泛應用于軍事、科學、工農業(yè)生產和醫(yī)療衛(wèi)生等各個領域，尤其在軍事領域，紅外探測器在精確制導、瞄準系統(tǒng)、偵察夜視等方面具有不可替代的作用。近年來，紅外探測器的需求不斷增加。據(jù)美國相關公司市場調研分析師預測，全球軍用紅外探測器需求額有望在2020年達到163.5億美元，復合年均增長率為7.71%。

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

在過去的幾十年里，大量的新型材料、新穎器件不斷涌現(xiàn)，紅外光電探測器完成了第一代的單元、多元光導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的方向發(fā)展。

1 焦平面紅外探測器應用現(xiàn)狀

熱探測器的應用早于光子探測器。熱探測器包括熱釋電探測器、溫差電偶探測器、電阻測輻射熱計等。熱探測器具有寬譜響應、室溫工作的優(yōu)點，但是它響應時間較慢、高頻時探測率低，目前主要應用于民用領域。光子探測器是基于光電效應制備的探測器，通過配備致冷系統(tǒng)，具有高量子效率、高靈敏度、低噪聲等效溫差、快速響應等優(yōu)點。在軍事領域，光子探測器占據(jù)主導地位。常用的光子探測器有碲鎘汞（HgCdTe）、InAs / InGaSb Ⅱ類超晶格、GaAs / AlGaAs量子阱等。近年來量子點紅外光探測器也引起廣泛關注，量子點紅外光探測器在理論上具有很多優(yōu)點，但實際制備的量子點紅外光探測器與理論預測的還是有一定差距。表1對幾種常用的光子型焦平面紅外探測器進行了比較。

在精確制導領域，主流制導方式有紅外制導和雷達制導，這兩種方式各有優(yōu)勢，在某些特定的場合，紅外制導更是顯示出其不可替代性。與雷達制導的主動探測相比，紅外探測是被動探測，它不輻射電磁波，有利于提高飛機的隱蔽性能。另一方面，紅外探測器的工作波長比雷達探測的微波要短 3 到4 個量級，這樣紅外成像分辨力更高，可以滿足某一特定細節(jié)的高精度成像需求。而且紅外探測還具有準確可靠、保密性好、抗電子干擾性強等優(yōu)勢。例如在電子、光電對抗、以及使用隱身戰(zhàn)機的情況下，特別是數(shù)字射頻存儲干擾技術的擴散，雷達型空空導彈在受到干擾時失效的幾率大大提高，因此雷達型導彈難以消滅所有的視距外目標。國外對裝備機載雷達的隱身飛機進行空戰(zhàn)模擬，結果發(fā)現(xiàn)當距離較遠時，機載雷達難以發(fā)現(xiàn)敵機。這就意味著，紅外制導型空空導彈在未來空戰(zhàn)中的地位將有所提升。

國外第四代空空導彈制導系統(tǒng)中，如美國的響尾蛇、英國阿斯拉姆、俄羅斯R-73、法國米卡紅外型、德國依爾伊斯特、以色列“怪蛇”系列等最新型號都采用了基于焦平面紅外探測的紅外制導技術。國產武器裝備也是如此，空空導彈中應用抗干擾型多元成像導引頭，能夠高離軸角發(fā)射，并具備超機動性；在防空導彈中采用紅外成像導引頭，較好地解決了超低空飛行引信容易誤啟動的情況；在反坦克導彈中使用了紅外焦平面成像式自導頭，配有非冷卻式光電探測器，成為非致冷式紅外成像制導反坦克導彈。

在瞄準系統(tǒng)、偵察夜視領域，焦平面紅外探測器也具有廣泛的應用前景。據(jù)報道，一款夜間瞄準系統(tǒng)升級設備將用于美國海軍陸戰(zhàn)隊AH-1眼鏡蛇攻擊直升機，此機載夜間瞄準系統(tǒng)是一個光電前視紅外塔樓狀傳感器組件，能為海軍陸戰(zhàn)隊提供遠程監(jiān)視、跟蹤、高空目標探測、測距和激光指示。美國海軍戰(zhàn)斗機專家正在更新自航母起飛的F /A-18戰(zhàn)斗轟炸機機載前視紅外瞄準系統(tǒng)，以達到給飛行員提供大幅增加的目標檢測和識別范圍、先進激光指示能力、遠離海岸行駛的精確評估、光電和紅外成像的目的。

2 焦平面紅外探測器研究現(xiàn)狀

2.1 國內研究現(xiàn)狀

國內研制焦平面紅外探測器主要研究機構有上海技術物理研究所、昆明物理研究所、國防科學技術大學、南京理工大學等單位。上海技術物理研究所在碲鎘汞紅外探測器的研制方面，包括材料生長、器件工藝設計、電路設計方面都積累了豐富的經驗。南京理工大學在紅外焦平面陣列非均勻性校正上開展了深入的研究。

目前，焦平面紅外探測器產業(yè)化發(fā)展迅速，國內已有多家企業(yè)具有生產致冷型或非致冷型焦平面紅外探測器的能力，其所生產的典型產品指標如表2所示。近年來，國內已建有具有自主知識產權的8英寸0.25μm非致冷紅外探測器生產線，新型氧化釩800 × 600 高分辨力非致冷焦平面紅外探測器及Ⅱ類超晶格紅外探測器短波、中波和長波產品均已面世，這些成果對于提升國家自主創(chuàng)新能力和國家戰(zhàn)略裝備的研制具有重要意義?？傮w來看，國產焦平面紅外探測器的制造能力正在迅速提高，不僅實現(xiàn)了從襯底、外延、芯片、封裝到致冷機的自行設計和研發(fā)，也實現(xiàn)了從材料到組件的全國產化。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

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

美國Raythen公司已研制出一種雙波段HgCdTe紅外焦平面陣列結構，而且還將會作為對現(xiàn)有的地基和機載戰(zhàn)術系統(tǒng)進行升級的第三代產品而獲得進一步的發(fā)展。在非致冷型探測器領域，Raythen公司正在與美國陸軍夜視與電子傳感器管理局及美國國防高級研究計劃局（DARPA）聯(lián)合研制2048 × 1536（三百萬像元級）非致冷焦平面陣列。

在小型探測器研究領域，DARPA已成功研制了一系列像元間距為5 ~ 8μm的紅外探測器而作為DARPA的大口徑海洋基礎數(shù)據(jù)陣列計劃的一部分，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也已被研制出。

美國 Northrop Grumman 公司研制的硒化鉛探測器被認為是焦平面紅外探測的一大突破，這種致冷型光子探測器具有很高的靈敏度和成像速率，但價格低廉，無需采用低溫制冷裝置。

法國Sofradir公司的紅外探測器產品較多，包括HgCdTe，InSb，InGaAs，QWIP 以及微測輻射熱計，覆蓋了短波紅外、中波紅外、長波紅外光譜。近期公司又推出了像元間距為10μm的Daphnis系列紅外探測器，該探測器是世界上第一款采用小像元間距技術制成的致冷型中波紅外成像產品，非常適合電光系統(tǒng)究人員用來研制陸基、機載和艦載軍事系。

3存在的問題及發(fā)展趨勢

目前主流的焦平面紅外探測器具有成像系統(tǒng)體積小、質量輕、功耗低、系統(tǒng)靈敏度高、工作幀頻高等一系列優(yōu)點，但其缺點也很明顯，如 HgCdTe 紅外探測器材料均勻性相對較差，Ⅱ類超晶格探測器分子束外延生長工藝不夠成熟，量子阱紅外探測器不吸收正入射光，量子效率相對較低，量子點紅外探測器也存在量子點材料不均勻的問題。除此之外，不同材料制備的焦平面紅外探測器還存在一個共性的問題，那就是焦平面紅外探測器存在成像非均勻性問題。相比于單點掃描和線陣掃描，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，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單元的響應特性不一致；紅外光學系統(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效探測單元的影響；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器耦合非均勻性的影響。非均勻性影響測量精度，特別是在弱信號探測時尤為嚴重。

目前的校正方法主要有兩類，一類是定標類校正，另一類是場景類校正。定標類校正方法主要包括一點校正法、兩點校正法、多點校正法和插值校正法，場景類校正方法包括時域高通濾波算法、神經網(wǎng)絡法、維納濾波法、小波濾波法等。定標類校正方法處理數(shù)據(jù)較少，可實現(xiàn)實時校正，不需場景運動，但是定標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)的變化而自適應變化。場景類校正法不需定標，可依據(jù)場景的變化自適應計算各個探測單元的增益和偏執(zhí)系數(shù)，但是場景類校正法計算量大，校正精度低，難以在實際應用中推廣。目前在軍事中廣泛應用的校正方法主要是定標類校正方法。為了進一步提升紅外焦平面成像的均勻性、提升武器裝備中制導精度，開展紅外探測器成像非均勻性參數(shù)校正的新方法研究以及探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的定性檢查和定量校準是迫切和必要的。

焦平面紅外探測器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先是探測器向高集成度、小型化方向發(fā)展，這主要體現(xiàn)在像元間距越來越小，陣列規(guī)模越來越大。目前的長波紅外器件規(guī)?？梢赃_到640 × 512，中、短波器件規(guī)?？梢赃_到1024 × 1024 甚至4096 × 4096，Sofradir 公司生產的DAPHNIS 型HgCdTe 探測器，其像元間距僅為10μm。其次是非致冷型紅外探測器研究熱度增加，與致冷型紅外探測器相比，非致冷型紅外探測器探測精度略差，但是由于沒有致冷系統(tǒng)，它具有價格低、功耗低、質量輕、體積小易于便攜設計等一系列優(yōu)點，此外，低溫致冷系統(tǒng)和復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。最后是多波長焦平面紅外探測成為研究熱點。單一波長的紅外探測容易受外界環(huán)境干擾導致探測能力和準確度下降，在紅外制導武器中，單一波長的紅外探測器一旦受對應波段的激光武器攻擊，很難避免被致盲。采用多波段探測，可以有效地避免外界干擾，降低虛警率，提高系統(tǒng)對假目標的鑒別能力，滿足未來戰(zhàn)場的需要。例如，荷蘭的IRSCAN 和法國的“斯皮拉爾”艦用紅外警戒系統(tǒng)等都采用的是雙波段探測。

4總結

紅外探測器在軍事領域特別是精確制導領域具有重要的地位，在焦平面紅外探測器的制備方面，國內焦平面紅外探測器生產能力迅速提高，但總體上，國內與國外還存在一定的差距。焦平面紅外探測器存在成像非均勻性的問題，對焦平面陣列紅外探測器進行非均勻性校正可以極大提高其探測精度。非致冷型焦平面紅外探測器研究熱度增加，高集成度、多波長探測也是焦平面紅外探測器的發(fā)展趨勢。