周 冰，賀 宣，劉賀雄，李秉璇，張俊祥

（1.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū) 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003；2.解放軍94019 部隊(duì)，新疆 和田 848000）

0 引言

隨著紅外探測(cè)技術(shù)不斷革新，基于非制冷紅外測(cè)輻射熱計(jì)陣列的紅外成像系統(tǒng)已在熱成像、夜視（軍用、商用）、地雷探測(cè)、偵察、監(jiān)視、消防、醫(yī)學(xué)成像、預(yù)測(cè)性維護(hù)和工業(yè)過程控制等領(lǐng)域有所應(yīng)用。作為電阻型紅外探測(cè)器，非制冷紅外測(cè)輻射熱計(jì)陣列達(dá)到了以前只有制冷型紅外光子探測(cè)器才能實(shí)現(xiàn)的性能水平[1]。鑒于其較高的性能和較低的制造成本，未來軍事裝備的研發(fā)中也將會(huì)得到大范圍的普及，特別是多晶硅探測(cè)器，憑借著其諸多優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。與之相對(duì)應(yīng)的是，針對(duì)敵方偵察、成像系統(tǒng)的激光壓制干擾技術(shù)研究也被逐步提上日程，因而激光損傷非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)的研究受到人們的廣泛關(guān)注，具有重要意義。

由于非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)具有較高的熱敏性能，它在激光的輻照作用下極易發(fā)生飽和致盲，甚至永久損傷。本文以多晶硅探測(cè)器為例，根據(jù)器件的成像原理，分析了激光輻照過程中像元陣列產(chǎn)生的一系列微觀效應(yīng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到了使多晶硅探測(cè)器進(jìn)入不同損傷狀態(tài)的輻照激光功率范圍，推斷了激光輻照像元陣列的熱效應(yīng)損傷機(jī)理；結(jié)合實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)的光電對(duì)抗環(huán)境，將激光傳輸過程中受到各種因素的影響等效為斬波調(diào)制，通過實(shí)驗(yàn)分析得到了調(diào)制頻率和占空比對(duì)探測(cè)器成像的影響，對(duì)取得更好的激光干擾效果和對(duì)應(yīng)的防護(hù)措施給出了建議。

1 非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)

當(dāng)前多數(shù)非制冷紅外探測(cè)器的核心元件為由像元組成的紅外焦平面陣列，常見的規(guī)格有800×600，320×240和384×288等[2]，光敏材料以氧化釩（VOx）和多晶硅為主。它被置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面的位置，與集成電路相連，用于接收目標(biāo)區(qū)域紅外輻射并實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的功能[3]。

1.1 構(gòu)造

非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)的單像元一般為橋式結(jié)構(gòu)，如圖1所示[4]。該器件主要分為兩部分，橋面上的光敏材料主要用于接收紅外輻射，溫度升高后自身電阻值發(fā)生變化；橋腿部分用于連接偏置電路，可以實(shí)時(shí)采集到該像元的信息，此外還兼具支撐、導(dǎo)熱等作用[5]。襯底表面為一層紅外光的反射物質(zhì)，這樣可以與距離λ/4的橋面之間形成諧振腔，增加光敏材料的吸收率。對(duì)用于接收8～14μm 長(zhǎng)波紅外的探測(cè)器而言，諧振腔的厚度一般為2.5μm左右[6]。

圖1 橋式結(jié)構(gòu)的像元陣列Fig.1 Cell arrayof bridgestructure

在像元陣列感應(yīng)目標(biāo)區(qū)域熱輻射的同時(shí)，信號(hào)讀出電路逐行偏置，并串行采集各個(gè)點(diǎn)的像素值，經(jīng)復(fù)用、放大最終拼組成實(shí)時(shí)顯示的紅外圖像。

顯然，在一定的溫度響應(yīng)范圍內(nèi)，各像元擁有穩(wěn)定、相同的基準(zhǔn)溫度，是焦平面陣列獲得良好工作性能的必要條件，因而襯底下方需要集成熱電制冷器（thermo-electriccooler，TEC）來維持恒溫。非制冷紅外焦平面陣列各層分布可用圖2來描述[7]，為保證非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)線性工作時(shí)襯底的恒溫，TEC最大制冷功率應(yīng)大于像元點(diǎn)飽和時(shí)所需散熱。襯底介于像元與TEC 之間，起到了連接、支撐、導(dǎo)熱等作用，并為焦平面陣列上各像元提供參照溫度。

圖2 非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)縱向分布Fig.2 Longitudinal distribution of uncooled microbolometers

紅外探測(cè)器中的TEC置于直流電路中，受到控制電壓的偏置作用，該電壓為焦平面溫度的感應(yīng)電壓與基準(zhǔn)電壓的差分放大所得。TEC的工作原理為Peltier 效應(yīng)，即電流通過具有熱電轉(zhuǎn)換特性的導(dǎo)體時(shí)可實(shí)現(xiàn)制冷功能。鑒于優(yōu)良的材料特性，國(guó)際上的TEC普遍由半導(dǎo)體制成[8]。如圖3為典型的TEC結(jié)構(gòu)[9]，其冷面與襯底緊密貼合，熱面連接散熱裝置或直接通過空氣對(duì)流等方式散熱，冷、熱兩個(gè)面之間嵌入了一定數(shù)量的PN結(jié)。

圖3 TEC 結(jié)構(gòu)圖Fig.3 TECstructure diagram

1.2 工作機(jī)理及輻照分析

1.2.1 像元

在像素讀出的過程中，與像元連接的MOS管起到了采集像元信號(hào)的關(guān)鍵作用。由于偏置電阻的存在，使得在恒定大小的總偏置電壓的作用下，施加在像元上的分壓隨著其電阻的變化而變化。該電壓信號(hào)經(jīng)MOS 管線性放大，轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，然后被放大器采集和使用。MOS 管的柵源電壓被定義為像元兩端電壓UR，設(shè)其開啟電壓Ut，漏源電壓Uds，跨導(dǎo)系數(shù)β，隨著UR的逐漸減小，MOS 管的漏源電流可描述為：

該電流信號(hào)就是處理成像素值的原始數(shù)據(jù)，MOS管的工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)該像元的工作狀態(tài)。由于制造工藝的限制，各像元的光電性能有所差異，因而需要進(jìn)行非均勻校正，使得所有像元對(duì)目標(biāo)區(qū)域紅外輻射的響應(yīng)性能一致。

在紅外輻射的作用下，像元溫度升高帶來的電阻R變化可以描述為：

式中：α是電阻溫度系數(shù)（temperature coefficient of resistance，TCR），且一般α＜0。其中，R0為當(dāng)像元溫度T處于基準(zhǔn)溫度T0時(shí)的電阻值。

1.2.2 陣列

在TEC 中，單個(gè)PN 結(jié)的制冷功率可由下式描述[8]：

式中：Δε為溫差電動(dòng)勢(shì)；TTcold和TThot分別表示冷、熱兩面的溫度；IT為工作電流；RT為電阻；KT為導(dǎo)體的熱導(dǎo)率。因而具有N個(gè)PN 結(jié)的TEC 制冷功率為：

表征熱電材料制冷性能的優(yōu)值系數(shù)為限定值，因此對(duì)給定的TEC 和工作條件，表征其制冷能力的主要參數(shù)為最大電流和最大電壓[10]。由此可知，當(dāng)工作溫度TTcold不變時(shí)，在可承受的最大電壓偏置作用下，TEC 中通過最大電流，對(duì)應(yīng)制冷功率達(dá)到最大。由式(3)、(4)可知：

探測(cè)器工作正常情況下，電路中產(chǎn)生的焦耳熱和高溫像元傳導(dǎo)的熱量經(jīng)襯底傳導(dǎo)至TEC 的冷面。在TEC 達(dá)到最大制冷功率前，襯底溫度始終保持恒定；而當(dāng)輻照至部分像元的激光能量過大，造成溫度過高，TEC 的最大制冷功率不足以將熱量散去，襯底溫度開始上升；隨著輻照激光的功率繼續(xù)增加，像元溫度大幅度提高，直到光敏材料熔融，焦平面陣列局部發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的硬破壞。

在非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)陣列上，以縱向單像元面積大小為基本單位來研究，對(duì)于受激光輻照像元正下方的襯底材料，忽略激光和像元熱輻射的影響，其瞬態(tài)熱方程為[11]：

式中：G、TS、ρs、vs、c和ks分別表示這部分材料的熱導(dǎo)率、溫度、質(zhì)量密度、體積、熱熔率和導(dǎo)熱系數(shù)；p是焦平面陣列上像元的個(gè)數(shù)；ks??2TS表示襯底熱量的橫向傳導(dǎo)。

而對(duì)于焦平面陣列中光斑周圍像元的襯底，有[11]：

這些像元由于連接襯底溫度的上升，熱量經(jīng)橋腿（圖1）傳導(dǎo)至橋面，形成熱量“倒灌”，造成了像元的飽和損傷。

2 激光輻照實(shí)驗(yàn)

從工作原理可以初步推斷，對(duì)于工作正常的非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)，當(dāng)輻照的激光能量過大時(shí)，微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列的局部像元飽和，像素值達(dá)到最大；隨著激光能量的繼續(xù)增大，被輻照像元的微橋結(jié)構(gòu)內(nèi)沉積了過多的熱量，由于像元陣列橫向傳導(dǎo)等作用，會(huì)對(duì)周圍的像元造成影響；當(dāng)激光能量達(dá)到一定程度時(shí)，局部像元沉積的大量熱能無法及時(shí)導(dǎo)出，會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的硬損傷。為進(jìn)一步研究這一問題，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，由于復(fù)雜傳輸條件的影響，實(shí)際作用于目標(biāo)探測(cè)器的干擾激光一般可等效于連續(xù)激光受到某種調(diào)制的結(jié)果。因此，本實(shí)驗(yàn)主要包含兩部分：連續(xù)激光輻照目標(biāo)探測(cè)器的損傷閾值和斬波調(diào)制后的激光干擾效果。

實(shí)驗(yàn)的激光源采用CO2氣體激光器，激光波長(zhǎng)10.6 μm，輸出功率0～30 W，功率不穩(wěn)定度不大于10%，光束直徑2.4 mm，光束發(fā)散角不大于0.5 mrad。衰減器由標(biāo)定好的NDIR 系列反射型衰減片組成，透過率從0.0004～0.5 不等。受輻照的非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)為800×600 多晶硅探測(cè)器，工作波段8～14μm，單像元尺寸17 μm×17 μm，光學(xué)系統(tǒng)焦距35 mm，F(xiàn)數(shù)1.2，視場(chǎng)角21.2°×16.2°。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖4所示。在連續(xù)激光損傷實(shí)驗(yàn)中撤去斬波器，待CO2氣體起輝后，緩慢增大激光輸出功率，直到探測(cè)器受到損傷為止。然后利用SR540斬波器調(diào)制連續(xù)激光，將兩個(gè)相同的斬波片重疊，通過改變重疊率來控制斬波調(diào)制的占空比大小。為實(shí)時(shí)掌握斬波調(diào)制情況，在CO2激光器旁并排放置532nm激光器及對(duì)應(yīng)的快速探測(cè)器，讓斬波器同時(shí)調(diào)制兩個(gè)波長(zhǎng)的激光，以532nm激光調(diào)制后的波形圖來描述10.6μm 的情況（如圖5）。分別改變斬波頻率、占空比，對(duì)不同參數(shù)下的紅外圖像進(jìn)行處理得到像素值。圖6為實(shí)景圖。

2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

2.2.1 連續(xù)激光

實(shí)施連續(xù)激光的輻照實(shí)驗(yàn)，時(shí)間每次持續(xù)1s。隨著激光功率的不斷增大，得到以下干擾現(xiàn)象：

①當(dāng)輻照激光功率達(dá)到1.326×10－4W/cm2時(shí)，探測(cè)器熱成像中心區(qū)域的灰度值達(dá)到最大（255），如圖7，探測(cè)器出現(xiàn)局部像素值最大，撤去光源后該現(xiàn)象立即消失，即出現(xiàn)了點(diǎn)飽和現(xiàn)象，如圖7；

②當(dāng)輻照激光功率在1.326×10－4W/cm2～2.785×10－3W/cm2范圍時(shí)，探測(cè)器熱成像中受干擾的區(qū)域變大，如圖8，且其面積隨著激光功率的增大而增大，撤去光源后該現(xiàn)象立即消失，即出現(xiàn)了中度飽和現(xiàn)象，如圖8；

③當(dāng)輻照激光功率在2.785×10－3W/cm2～7.074×10－3W/cm2范圍時(shí)，探測(cè)器熱成像中受干擾的區(qū)域更大，如圖9，且其面積隨著激光功率的增大而增大，撤去光源后該現(xiàn)象持續(xù)存在一段時(shí)間后才消失，即出現(xiàn)了重度飽和現(xiàn)象，如圖9；

④當(dāng)輻照激光功率大于8.235×10－3W/cm2時(shí)，探測(cè)器熱成像受到干擾區(qū)域大幅增加，如圖10，撤去光源后大部分像元能夠緩慢地恢復(fù)正常，但中心少量像元無法恢復(fù)，發(fā)生了永久損傷，即出現(xiàn)了點(diǎn)損傷現(xiàn)象，如圖10。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布局Fig.4 Experimental system layout

圖5 斬波調(diào)制檢測(cè)系統(tǒng)Fig.5 Choppermodulation and detection syst em

圖6 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)景圖Fig.6 Actualappearance of the experimental platform

圖7 點(diǎn)飽和現(xiàn)象的熱成像Fig.7 Thermal imaging of point saturation

圖8 中度干擾現(xiàn)象的熱成像Fig.8 Thermal imaging of moderate saturation

圖9 重度飽和現(xiàn)象的熱成像Fig.9 Thermal imaging of severe saturation

圖10 點(diǎn)飽合現(xiàn)象的熱成像Fig.10 Thermal imaging of point damage

在發(fā)生重度飽和和點(diǎn)損傷的現(xiàn)象時(shí)還注意到，被干擾區(qū)域橫向及縱向的其他像素值均發(fā)生異常（變小），影響了正常的成像功能。

2.2.2 經(jīng)斬波調(diào)制的連續(xù)激光

在斬波調(diào)制的激光輻照實(shí)驗(yàn)中，探測(cè)器熱成像中心區(qū)域的光斑出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象（如圖11）。將輻照時(shí)長(zhǎng)設(shè)為每次5 s。固定輻照激光功率為9.844×10－5W/cm2，占空比為0.1，并將斬波頻率依次設(shè)定為100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz、500 Hz，探測(cè)器熱成像中心區(qū)域呈現(xiàn)的灰度值隨著斬波頻率的增加而減?。槐３州椪占す夤β?.844×10－5W/cm2不變，固定斬波頻率為100 Hz，并將占空比依次設(shè)定約為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，發(fā)現(xiàn)探測(cè)器熱成像中心區(qū)域的灰度值隨著占空比的增大而增大。

圖11 斬波調(diào)制激光輻照導(dǎo)致的光斑閃爍現(xiàn)象（斬波調(diào)制頻率100 Hz，占空比0.5）Fig.11 Spot flashing caused by chopping modulated laser irradiation

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 連續(xù)激光損傷

根據(jù)非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)的工作原理，隨著輻照激光功率的增加，對(duì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的現(xiàn)象可以作如下解釋：

現(xiàn)象①中，受輻照的像元溫度不斷升高，電阻減小，兩端電壓降低，MOS 管從線性工作狀態(tài)進(jìn)入飽和工作狀態(tài)。在像元溫度達(dá)到這個(gè)溫度之前可以稱為非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)工作的“線性工作區(qū)”。根據(jù)(1)式，像元點(diǎn)飽和時(shí)，UR＝Ut＋Uds，在電路中滿足，代入(2)式并整理得到像元在點(diǎn)飽和時(shí)的溫度T1：

現(xiàn)象②中，像元溫度快速升高，MOS 管輸出電流信號(hào)不再繼續(xù)增大，像素保持最大（通常為255）；傳導(dǎo)至襯底的熱量增加，為了維持襯底恒溫，TEC 制冷功率提高并逐漸達(dá)到最大，周圍像元由于熱量“倒灌”也逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。這個(gè)過程可以稱為非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)工作的“中度飽和區(qū)”。若初始狀態(tài)溫度為T0，當(dāng)TEC 制冷功率達(dá)到最大時(shí)，受輻照像元的溫度達(dá)到中度飽和的最高值，設(shè)為T2。當(dāng)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，受輻照的單像元連接襯底的熱平衡方程為：

因此：

對(duì)于周圍襯底及像元，滿足TS＝TR≥T1時(shí)，達(dá)到飽和狀態(tài)。

現(xiàn)象③中，像元溫升劇烈，TEC 的最大制冷功率不足以散去材料內(nèi)沉積的熱量，像元及襯底溫度持續(xù)升高。由于襯底橫向的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，周圍受到飽和干擾的像元數(shù)量進(jìn)一步增多，直到受輻照像元溫度接近熔點(diǎn)。這個(gè)過程可以稱為非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)工作的“重度飽和區(qū)”，設(shè)像元溫度T3：

式中：TRmelt為光敏材料的熔點(diǎn)。

現(xiàn)象④中，像元溫度達(dá)到光敏材料的熔點(diǎn)，吸收熱量發(fā)生相變，由于熱熔融作用局部區(qū)域像元發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的硬損傷，周圍受熱達(dá)到點(diǎn)飽和溫度的像元數(shù)量更多，這可以稱為非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)工作的“點(diǎn)損傷區(qū)”。此時(shí)，像元的溫度：

3.2 斬波調(diào)制激光輻照效果

收集的各組斬波調(diào)制參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)每次實(shí)驗(yàn)第5 s 內(nèi)的所有圖片，取輻照區(qū)域光斑中心的像素求平均值，得到該實(shí)驗(yàn)中探測(cè)器穩(wěn)態(tài)下像素平均值。表1 為斬波調(diào)制頻率變化時(shí)，探測(cè)器熱成像光斑灰度閃爍均值。

表1 激光調(diào)制頻率變化時(shí)的閃爍光斑灰度均值Table 1 Gray mean of scintillation spots under changing laser modulation frequency

將灰度均值與調(diào)制頻率作曲線擬合，得到圖12和對(duì)應(yīng)的關(guān)系式：

由此可以看出，激光干擾光斑灰度均值隨斬波調(diào)制頻率的增加呈指數(shù)降低的趨勢(shì)。

圖12 探測(cè)器灰度均值與激光調(diào)制頻率的曲線擬合Fig.12 Curve fitting of detector gray mean value and laser modulation frequency

表2 為占空比變化時(shí)，探測(cè)器熱成像光斑灰度閃爍均值。

表2 激光調(diào)制占空比變化時(shí)的光斑灰度閃爍均值Table 2 Gray mean values of scintillation spots under changing laser modulation duty ratio

對(duì)表2 中的光斑灰度均值與占空比進(jìn)行曲線擬合，得到圖13 和對(duì)應(yīng)關(guān)系式：

由此可以看出，激光干擾光斑灰度均值隨斬波調(diào)制占空比的增加呈指數(shù)增加的趨勢(shì)。

據(jù)此可以推斷，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下當(dāng)連續(xù)激光用于干擾對(duì)方紅外探測(cè)器時(shí)，在等效大氣傳輸影響的斬波調(diào)制作用下，調(diào)制頻率低，占空比大時(shí)會(huì)使得目標(biāo)像元陣列溫度快速升高，并進(jìn)入不同程度的干擾狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了10.6 μm 連續(xù)激光輻照非制冷多晶硅探測(cè)器實(shí)驗(yàn)，得到了像元陣列進(jìn)入點(diǎn)飽和、中度飽和、重度飽和、點(diǎn)損傷狀態(tài)的激光功率范圍依次為0～1.326×10－4W/cm2、1.326×10－4～2.785×10－3W/cm2、 2.785×10－3～7.074×10－3W/cm2、7.074×10－3W/cm2～＋∞，分析了不同程度損傷過程中的熱效應(yīng)機(jī)理。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)目標(biāo)紅外探測(cè)器進(jìn)行壓制干擾時(shí)，使其進(jìn)入重度飽和狀態(tài)即可使其在一定時(shí)間內(nèi)喪失偵察能力；受到傳輸因素影響的連續(xù)激光輻照敵方探測(cè)器時(shí)，在傳輸?shù)刃д{(diào)制頻率低、占空比大的條件下能獲得更好的干擾效果。這一方向的后續(xù)研究工作，可根據(jù)各類非制冷紅外探測(cè)器的像元構(gòu)造來研究紅外激光對(duì)其致盲的方式，并結(jié)合實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)條件探究相應(yīng)戰(zhàn)法。

圖13 探測(cè)器灰度均值與激光調(diào)制占空比的曲線擬合Fig.13 Curve fitting of detector gray mean value and laser modulation duty ratio

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)在強(qiáng)激光的輻照下極易發(fā)生損傷。在實(shí)際應(yīng)用中，為降低紅外像元陣列被破壞的可能，可以采用在光路中加入波門選通的方法來進(jìn)行保護(hù)。