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1、光电探测技术发展概况学号：20121226465 姓名：熊玉宝摘要:本文扼要论述光电探测技术重要性，并简要地介绍了光电探测技术的几种主要方法及发展趋势。关键词:光电； 探测； 技术光电探测技术是根据被探测对象辐射或反射的光波的特征来探测和识别对象的一种技术，这种技术本身就赋予光电技术在军事应用中的四大优点，即看得更清、打得更准、反应更快和生存能力更强。光电探测技术是现代战争中广泛使用的核心技术，它包括光电侦察、夜视、导航、制导、寻的、搜索、跟踪和识别多种功能。光电探测包括从紫外光（0.20.4m）、可见光（0.40.7m）、红外光（13m，35m，812m）等多种波段的光信号的探测。新一代光电
2、探测技术及其智能化，将使相关武器获得更长的作用距离，更强的单目标/多目标探测和识别能力，从而实现更准确的打击和快速反应，在极小伤亡的情况下取得战争的主动权。同时使武器装备具有很强的自主决策能力，增强了对抗，反对抗和自身的生存能力。实际上，先进的光电探测技术已成为一个国家的军事实力的重要标志。现代高技术战争的显著特点首先是信息战，而信息战中首要的任务是如何获取信息。谁获取更多信息，谁最早获取信息，谁就掌握信息战的主动权。光电探测正是获取信息的重要手段。微波雷达和光电子成像设备常常一起使用，互相取长补短，相辅相成，可以获取更多信息，可以更早获取信息。前者作用距离远，能全天候工作；后者分辨率高，识别
3、能力和抗干扰能力强。无论侦察卫星、预警卫星、预警飞机还是无人侦察机往往同时装备合成孔径雷达和CCD 相机、红外热像仪或多光谱相机。为改进对弹道导弹的预警能力，美国正在研制的天基红外系统（SBIRS）拟用双传感器方案，即一台宽视场扫描短波红外捕获传感器和一台窄视场凝视多色（中波/长波红外、长波红外/可见光）跟踪传感器，能捕获和跟踪弹道导弹从发射到再入大气的全过程。美国已经装备并正在不断改进的CR-135S 眼镜蛇球预警机，采用可见光和中波红外像机，能精确测定420km 外的导弹发射，确定发动机熄火点，计算出它的弹道和碰撞点。最近在上面加了一台远程激光测距机，其作用距离可达400km。美国海军也在
4、为战区弹道导弹防御系统研制称为“门警”系统的可进行主/被动监视的机载光电传感器系统。它包括一台红外搜索跟踪器(IRST)，采用双波段6960 元碲镉汞探测器阵列，探测距离可达800km，一台测距/跟踪器（LR/T），以128128 元锑化铟焦平面阵列精跟踪（约5rad）目标，并以激光对目标测距（100-1000km），从而获得远距离目标的实时三维信息，赢得足够的预警时间。在光电技术其它应用中，诸如精确制导、导航、火控、对抗武器、通信、显示等方面都占有较重要的地位。光电探测技术1. 可见光探测可见光CCD 和CMOS 成像器由于其体积小、重量轻、功耗低、寿命长、可靠和耐冲击等诸多特点，现在已广泛
5、用于军事遥感、侦察、飞机导航、导弹和炸弹的制导等现代军事装备中。民用也极其广泛，如保安、监控、可视门铃、视频电子邮件、可视电话、视频会议、数码相机以及医学和生物科学实验记录等都在使用CCD 和CMOS 成像器。现代可见光成像器已是数字化的，可以保存在软盘、硬盘和光盘中，再用计算机阅读、显示和打印出来。这种图像还可以修补、剪贴和远距离传输，这也是现代通讯的主要内容之一。先进的图像传感器的基本指标是清晰度（光敏元数）、灵敏度（量子效率）、动态范围（满阱电荷数）、信噪比（暗电流等噪声源）等，并与实用中常碰到的光学孔径、拖影、光晕、闪烁、图像滞后等图像性质有关，因此现代的先进技术都是在为进一步提高这些
6、基本指标和改善上述的图像性质而努力。2. 红外探测由于温度高于绝对零度的任何物体都会辐射红外线，利用适当的对红外线足够灵敏的探测器，即使在夜里没有光照的情况下也能探测到物体的存在，还可得到它的外形图像。一些典型物体的温度和辐射峰值波长见表1。表1 典型物体的温度和红外辐射的波长温度（K）辐射峰值波长（um）钨丝灯20001.45波音707飞机喷口8903.62M-46坦克尾部4736.13F-16战机蒙皮3338.70人体3109.66冰水（0度）27310.6由此可见，在战争中碰到的对象所辐射的红外线，大都在112m 之间。但是，在这个波段区的信号不是都能在大气中传播很远的，实践表明只有三个
7、波段区的信号能在大气中传播较远，它们分别称为：短波红外（SWIR，13m）、中波红外（MWIR，35m）和长波红外（LWIR，812m）。通常说的军用红外技术，主要是针对这三个红外波段，而且重点还在中波和长波红外。对于红外探测装备其核心是红外探测器，从某种意义而言红外探测器的水平决定了红外光电探测装备的性能，国际上一般把单元和多元器件称为一代红外器件，把焦平面线列和阵列称二代器件，把双（多）波段和智能化焦平面器件称为三代器件，相应就演变成红外光电探测装备的分代。2.1 PtSi 红外探测器这是早期红外探测器，工作在中、短波，由于其制造工艺相对简单，原始均匀性做得较好，成本相对价廉，因而获得了早
8、期军用应用，例如早期的响尾蛇导弹采用的红外制导就是采用PtSi 探测器，但由于其量子效率低，性能不高，影响了武器装备的性能发挥，被随后InSb、HgCdTe 探测器所替代。2.2 InSb 红外探测器InSb 工作波段在中波是目前使用最广泛，研究最成熟，军用中用于寻的头的常取128128 元凝视型阵列，因为有较好的性能/价格比，美、英、德和以色列等国研制的新型空-空导弹都使用了这一规格。要求精密、高速图像或在高价值场合使用时常取256256，640480或512512InSb 探测器，美国Lockheed Martim 公司生产的“狙击手”吊舱，Raytheon 公司研制的ATFLIR 吊舱，
9、Northrop Grumman 公司与以色列拉发尔公司合作研制的LITENING 吊舱以及美国前视红外系统公司研制的AN/AAQ-22 SAFIRE 热像仪等世界最先进的前视，导航和瞄准设备都使用了640480 元或类似规模的InSb 阵列。20002000InSb 与可见光组合成低帧频、双色相机已有报导用于战场和环境监视。2.3 HgCdTe 红外探测器由于HgCdTe 红外探测器的发明，使低温目标（需要长波探测）的红外探测成为可能。从原理上都可以取代前二类红外探测器，因而这类探测器是西方先进国家竞相发展，到目前仍然重点发展的一类探测器，而且集中在第二代和第三代红外探测器，这类探测器又分为
10、4（6）N 线列焦平面和阵列焦平面，前者主要是技术相对后者更成熟，采用并扫技术可做到同等数量元数阵列焦平面更高性能，且价格要比阵列焦平面低，因而西方国家亦在发展之列，典型的4288、4（6）576、6960 等；阵列焦平面典型品种有128128，256256（或320256），512512（或640480），10241024 等。2.4 GaAs/AlGaAs 量子阱红外探测器（QWIP）量子阱红外焦平面探测器在384288，640512 规模以上的大面阵和双色焦平面方面有应用价值，目前主要应用在工业及医疗。在允许进行长时间积分的军事领域也有应用，如德国的坦克驾驶员观察用热像仪，使用的是640
11、512 元长波量子阱红外焦平面探测器，光谱响应范围8-9m。量子阱红外焦平面探测器未来最有潜力的发展方向是空间军事应用，如多色（4 色），超长波（1416m）大面阵。2.5 非致冷红外焦平面探测器由于制冷红外焦平面探测器功耗大、成本高、操作不方便等不利因素，各国都在寻求制造非制冷红外焦平面的新技术，目前该技术发展是迅速的。非制冷红外焦平面探测器目前已发展到320240，640480 规模。非致冷红外探测器可分二类，即铁电型和热电阻型。以Vox和X-Si 热电阻型非致冷红外探测器发展较快，主要的技术着眼点是提高阵列的规模以达到640480 元的数量级，降低光敏元尺寸以达到中心距25m，并进一步改
12、善噪声等效温差、动态范围等重要性能指标，进一步降低成本和方便使用等。主要用于工业、安全、单兵武器观瞄等领域，其价格相对低廉，也有用于性能要求不太高短距离的导弹制导。2.6 第三代红外探测器美国已开始研制第三代红外探测器，并提出了第三代红外热像仪的概念，主要是双色或三色高性能、高分辨率、制冷型热像仪和智能焦平面阵列探测器，美军夜视和电子传感器管理局认为开发第三代红外传感器是美国保持夜战优势的关键。因此红外探测技术较长远的发展趋势是开发第三代红外探测器，第三代红外焦平面探测器的主要参数见表2。表2 第三代红外探测器要求的性能参数焦平面阵列规模10001000，10002000，20002000光敏
13、元面积1818m2响应频带（波段）至少二个频带NETD1mk f/z（中波），5mk f/z（长波）杜瓦高真空制冷器机械或热电制冷型120-180K目标远距离，强抗杂波能力空间不均匀性0.5NETD电子容量109帧频可加到480Hz附加功能片上含非均匀性修正和A/P 电路等由于国外红外探测器技术的不断完善，在探测器芯片上提升技术已相当困难。为进一步提高红外探测器的性能，人们现在正把注意力转到红外探测器的信号读出集成电路（ROIC）上。随着计算机技术和集成电路的发展，ROIC 已有很大的进展，中规模的红外焦平面阵列和相应的读出电路在20 世纪90 年代已形成生产规模，现在先进国家正在研制用于大规
14、模焦平面阵列（三代器件）和其有多种功能的ROIC 和智能化焦平面阵列。智能焦平面阵列也叫做片上系统，片上信号处理意思是在光敏元芯片上或是最接近光敏元的区域内模仿脊椎动物视网膜的功能，对光-电转换后的信号作前期的处理，然后再输出后续的数据处理。这个过程虽然不属于直接接收光信号的过程，但对光电探测器的综合性能有极大影响。3. 紫外探测技术紫外探测技术在国防、国民经济和科学研究领域有许多应用，如导弹威胁预警，星际通信，化学与生物战剂的探测和光谱测量，发动机与核反应堆监测、植物生长、辐射剂量测量、水提纯、污染监测（如臭氧）火焰探测、煤气（发生）炉监测和紫外天文。近20 年来，主要发展有三种类型紫外（U
15、V）探测器，即光电倍增管、成像紫外传感器和AlGaN/GaN 光电二极管成像阵列，被称作一、二、三代紫外成像传感器。在上述许多应用中，希望只探测紫外光而不对可见光和红外辐射灵敏，尤其是阳光，以减少虚假探测和背景通量。所以近年来在短波紫外探测器领域的研究集中在实现“日盲”探测器上，即对280nm 以上的光子不灵敏探测器，亦即称谓是第三代紫外探测器。紫外探测的军事应用主要有导弹制导，来袭导弹告警，生化战剂探测，军用气象和军用短程通信等。4. 微小型成像传感器微小型成像传感器的主要特征是尺寸显著减小，保持较高的空间分辨率和低功耗。微小型成像传感器的主要应用领域诸如有机器人、微型车辆、微型航空器、微型航天器、无人值守传感器和监视网络以及警戒和执法等。其应用前景有：支持网络中心战（NCW）的网络传感测点用于战场情报的便携式监视和无人值守的网络化监视无人机和地面无人车辆的视频控制用于设施警戒的自动化监视灵巧武器的目标识别装甲车和导弹的精确瞄准系统机器人视觉公安、边防巡逻、执法和交通监视视频会议今后几年在微型传感器方面的总目标是：演示声、地震和红外成像微型传感的小规模集成网络； 验证超轻量、低成本、小体积的三维集成封装应用于开销得起的紧凑设计； 发展自组网络
