孫啟揚(yáng),柴瑞青,謝圣文,謝莉莉,樊 奔,陳瑞明

(北京空間機(jī)電研究所,北京100094)

1 引 言

航天紅外遙感技術(shù)是指利用空間平臺(tái)(衛(wèi)星、空間站等)搭載的紅外遙感載荷獲取目標(biāo)信息的技術(shù)。隨著應(yīng)用需求和技術(shù)的發(fā)展,航天紅外遙感載荷的功能已逐漸豐富,載荷可分為成像類、探測(cè)類和光譜類。成像類載荷主要獲取高分辨率的紅外圖像,典型應(yīng)用為商業(yè)遙感和軍事偵查等;探測(cè)類載荷主要實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)或者事件的探測(cè),典型應(yīng)用為導(dǎo)彈預(yù)警和小行星探測(cè)等;光譜類載荷通過(guò)對(duì)目標(biāo)的光譜進(jìn)行高精度定量化探測(cè)和反演來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和分析,典型應(yīng)用為資源探測(cè)、大氣成分探測(cè)和系外天體探測(cè)等。

2 航天遙感紅外探測(cè)器關(guān)鍵指標(biāo)

紅外遙感載荷的諸多關(guān)鍵指標(biāo)均受限于紅外探測(cè)器的性能指標(biāo),如載荷的幅寬、分辨率、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)和光譜分辨率等。其中,紅外探測(cè)器的像元規(guī)模、MTF、信噪比、有效像元率和像元一致性是核心指標(biāo)。

2.1 像元規(guī)模

遙感載荷的地面分辨率(GSD)通常定義為地面上可分辨目標(biāo)的最小間距,在不考慮信噪比和MTF的情況下,遙感載荷的地面分辨率可簡(jiǎn)化為如下公式:

(1)

其中,Pitch為探測(cè)器像元中心距;f為光學(xué)系統(tǒng)焦距;H為軌道高度。凝視型載荷通常選用面陣探測(cè)器,其二維幅寬即為面陣探測(cè)器像元規(guī)模(M×N)與分辨率的乘積。掃描型載荷通常選用線列探測(cè)器,其幅寬即為線列探測(cè)器像元規(guī)模(L)與分辨率的乘積。

2.2 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

紅外遙感載荷的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)由光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)(MTFop)和探測(cè)器調(diào)制傳遞函數(shù)(MTFdet)等共同決定。MTFop的空間截止頻率為艾利斑直徑,即dAiry=2.44Fλ;MTFdet的空間截止頻率受限于探測(cè)器的像元間距d。當(dāng)Fλ/d>2時(shí),艾利斑直徑超出了探測(cè)器尺寸的5倍,進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)衍射限制區(qū);當(dāng)Fλ/d<0.41時(shí),探測(cè)器采樣間隔大于艾利斑直徑,進(jìn)入探測(cè)器限制區(qū)。

除受光學(xué)能量限制外,紅外探測(cè)器像元間的光生載流子的串?dāng)_、讀出電路帶來(lái)的像元間輸出信號(hào)的串?dāng)_等因素會(huì)導(dǎo)致MTFdet的進(jìn)一步降低;對(duì)于線列型紅外探測(cè)器,幀間的串?dāng)_也會(huì)導(dǎo)致掃描方向的MTFdet的降低,這些都是紅外探測(cè)器在設(shè)計(jì)研制中需要著重考慮的[1]。

2.3 信噪比(SNR)

對(duì)于成像類載荷,MTF和SNR的乘積共同決定了載荷的圖像質(zhì)量[2],MTF決定了紅外遙感載荷在空間維度的細(xì)節(jié)分辨能力,而信噪比決定了載荷在輻亮度、溫度等探測(cè)量的細(xì)節(jié)分辨能力。紅外遙感載荷的信噪比,主要由光學(xué)系統(tǒng)和紅外探測(cè)器決定,光學(xué)系統(tǒng)主要通過(guò)增加口徑、降低內(nèi)雜散輻射、提升透過(guò)率等手段來(lái)獲得更高的系統(tǒng)信噪比;對(duì)于紅外探測(cè)器而言,需要結(jié)合載荷的具體使用工況條件,合理分配探測(cè)器的量子效率、暗電流和噪聲等指標(biāo),以滿足系統(tǒng)需要的信噪比要求。

載荷使用的工況條件主要包括:目標(biāo)及背景輻射特性、光學(xué)系統(tǒng)口徑和F數(shù)、載荷光機(jī)內(nèi)輻射特性、探測(cè)器工作溫度、載荷與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性等。這些為紅外探測(cè)器的探測(cè)譜段范圍、目標(biāo)與背景的光通量、積分時(shí)間和噪聲帶寬等限定了條件。

2.4 有效像元率

無(wú)效像元主要包括盲元和閃元。盲元包括死像元(響應(yīng)率過(guò)低)和過(guò)熱像元(噪聲過(guò)高),像元的信噪比無(wú)法滿足使用要求,因此為無(wú)效像元,成因包括材料缺陷、器件工藝損傷和互連失效等,常常成簇出現(xiàn)。閃元主要是指響應(yīng)率或暗電流隨時(shí)間變化超出穩(wěn)定閾值的像元,目前尚未形成統(tǒng)一的測(cè)試方法和判據(jù),美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室采用的測(cè)試方法是連續(xù)采集600幀圖像,采用時(shí)間滑窗方法(每個(gè)窗口10幀)來(lái)逐一計(jì)算每個(gè)像元的輸出信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差,如果最大標(biāo)準(zhǔn)差>4倍的平均標(biāo)準(zhǔn)差,則該元被判定為閃元[3],閃元主要由像元內(nèi)的低頻噪聲引起,造成低頻噪聲的因素有很多,器件的表面漏電是重要因素之一[4]。閃元會(huì)導(dǎo)致像元輸出在時(shí)域上的不穩(wěn)定,對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)類載荷,會(huì)造成虛警,提高了圖像處理的難度。

2.5 像元一致性

像元一致性指的是探測(cè)器在相同相面照度下,輸出信號(hào)的一致性,這其中包括像元的響應(yīng)率一致性和暗電流一致性。像元的不一致性主要由光敏元材料的缺陷和不均勻,焦平面工藝過(guò)程中的摻雜、注入、刻蝕損傷等工藝過(guò)程的不均勻造成。不一致性雖然可以通過(guò)兩點(diǎn)法來(lái)校正,但是需要星上定標(biāo)機(jī)構(gòu)來(lái)輔助實(shí)現(xiàn);對(duì)于數(shù)據(jù)量大或者實(shí)時(shí)性要求高的高光譜和預(yù)警應(yīng)用,不一致性會(huì)給圖像處理帶來(lái)很大的壓力,比如星上實(shí)時(shí)處理、星上數(shù)據(jù)壓縮等;此外,不一致性還會(huì)降低探測(cè)器整體的有效動(dòng)態(tài)范圍。

3 航天遙感紅外探測(cè)器需求類型及發(fā)展現(xiàn)狀

盡管紅外探測(cè)器技術(shù)在不斷地進(jìn)步,至今未能出現(xiàn)一款探測(cè)器能夠覆蓋所有的紅外遙感需求,一方面因?yàn)楝F(xiàn)今遙感載荷對(duì)于紅外探測(cè)器的指標(biāo)需求已經(jīng)接近了理論的極限,另一方面是因?yàn)榧t外探測(cè)器的指標(biāo)是一個(gè)統(tǒng)籌均衡的結(jié)果,為追求某些性能,往往要犧牲部分性能,如高靈敏度與高滿阱,高幀頻與低噪聲,大像元規(guī)模與高像元一致性等指標(biāo),在提需求時(shí)往往需要進(jìn)行取舍。由于不同種類載荷關(guān)注的性能側(cè)重點(diǎn)不同,航天遙感紅外探測(cè)器也逐漸分化成為不同的種類。

3.1 成像探測(cè)類紅外探測(cè)器

成像類載荷和探測(cè)類載荷的區(qū)別在于,前者主要是對(duì)地物成像;而后者主要實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)(如導(dǎo)彈、飛行器和小行星等)的發(fā)現(xiàn)、跟蹤和識(shí)別,探測(cè)背景包括地球背景和空間背景。在需求紅外探測(cè)器特點(diǎn)上,二者共性居多,該類型紅外探測(cè)器根據(jù)像元規(guī)?？煞譃槊骊囂綔y(cè)器和線列探測(cè)器,面陣探測(cè)器主要應(yīng)用于凝視型載荷,線列探測(cè)器主要應(yīng)用于掃描型載荷。在保證幅寬的前提下,隨著分辨率指標(biāo)的提升,對(duì)紅外探測(cè)器像元規(guī)模的要求越來(lái)越大。

3.1.1 面陣紅外探測(cè)器

在材料體系上,目前宇航應(yīng)用的面陣紅外探測(cè)器主要為碲鎘汞和銻化銦。2008年,美國(guó)L3采用銻化銦材料體系,研制成功了4 k×4 k規(guī)模15 μm像元中心距的紅外探測(cè)器[5];2016年,美國(guó)RVS報(bào)道其成功研制了8 cm×8 cm的碲鋅鎘基碲鎘汞材料,還掌握了在6英寸硅襯底上通過(guò)分子束外延生長(zhǎng)碲鎘汞材料的技術(shù),并采用該技術(shù)研制成功4 k×4 k規(guī)模20 μm像元中心距的紅外探測(cè)器[6];同年,美國(guó)Teledyne報(bào)道其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)7 cm×7 cm的碲鋅鎘襯底的量產(chǎn),且完成了8 cm×8 cm的碲鋅鎘基碲鎘汞材料研制[7];2018年,法國(guó)Lynred報(bào)道將于年底完成2 k×2 k規(guī)模15 μm像元中心距的紅外探測(cè)器[8];2018年,華北光電技術(shù)研究所公開報(bào)道其在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了短、中波2.7 k×2.7 k規(guī)模紅外探測(cè)器研制;2020年,昆明物理研究所報(bào)道其實(shí)現(xiàn)了2 k×2 k規(guī)模短波和中波紅外探測(cè)器的研制[9]。此外,Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器技術(shù)顯現(xiàn)出其在大面陣器件研制上的優(yōu)勢(shì),2011年美國(guó)啟動(dòng)了以NASA-JPL領(lǐng)銜的“VISTA”計(jì)劃,加速推進(jìn)軍用Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器的發(fā)展,項(xiàng)目歷時(shí)5年,在美國(guó)業(yè)界形成Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,研制出了一批地面、航空、宇航應(yīng)用的新一代紅外探測(cè)器,體現(xiàn)了該技術(shù)像元規(guī)模大、均勻性好、穩(wěn)定性好和成本低的優(yōu)勢(shì),取得了巨大的成功,美國(guó)Raytheon作為參與者推出了兩款大面陣器件,分別為2 k×2 k和4 k×4 k規(guī)模10 μm像元中心距的高溫工作中波紅外探測(cè)器[10]。

1990年發(fā)射的哈勃望遠(yuǎn)鏡,采用的是美國(guó)Teledyne研制的1 k×1 k碲鎘汞紅外探測(cè)器;2021年發(fā)射的詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡,采用了美國(guó)Teledyne的H2RG紅外探測(cè)器模塊[11];2018年,NASA向美國(guó)Teledyne定制了72個(gè)短中波H4RG-10模塊,用于羅曼太空望遠(yuǎn)鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope)項(xiàng)目,研制周期29個(gè)月;2016年,我國(guó)首顆地球同步軌道高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星高分四號(hào)正式投入使用,搭載了北京空間機(jī)電研究所研制的我國(guó)首臺(tái)配置大面陣紅外探測(cè)器的光學(xué)遙感載荷,相機(jī)采用了1 k×1 k中波紅外探測(cè)器組件,組件由華北光電技術(shù)研究所研制,是我國(guó)百萬(wàn)像素紅外探測(cè)器的首次宇航應(yīng)用[12]。

3.1.2 線列紅外探測(cè)器

線列紅外探測(cè)器是宇航應(yīng)用中較有特色的一種探測(cè)器,主要應(yīng)用于掃描(推掃、擺掃、環(huán)掃等)成像,其工作原理為在掃描過(guò)程中內(nèi)通過(guò)對(duì)不同時(shí)刻的瞬時(shí)視場(chǎng)進(jìn)行連續(xù)采樣,多行圖像拼接獲得掃描區(qū)域的圖像信息,代表應(yīng)用有太陽(yáng)同步軌道對(duì)地推掃成像和大橢圓軌道掃描預(yù)警應(yīng)用。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括時(shí)間延遲積分(TDI)和多譜段集成技術(shù)。

1)時(shí)間延遲積分(TDI)技術(shù)

TDI技術(shù)可以解決衛(wèi)星在瞬時(shí)視場(chǎng)駐留時(shí)間不足導(dǎo)致的信噪比較低的問(wèn)題,從而提高載荷的信噪比和掃描方向空間分辨率。德國(guó)AIM為宇航應(yīng)用研制了一款中波線列紅外探測(cè)器,探測(cè)譜段為3～5 μm,像元規(guī)模為1200×8,在低照度工作模式下采用CTIA輸入級(jí),7級(jí)TDI來(lái)提高探測(cè)信噪比;在高照度工作模式下采用DI輸入級(jí)1元積分[13]。

2)多譜段集成技術(shù)

多譜段集成技術(shù)通過(guò)在一個(gè)焦面上集成多個(gè)譜段的線列探測(cè)器,從而在一次探測(cè)中獲得同一目標(biāo)的多個(gè)譜段信息[14]。2013年發(fā)射的美國(guó)Landsat-8衛(wèi)星搭載的OLI-2陸地成像儀,其上搭載了可見(jiàn)短波多譜段紅外探測(cè)器,探測(cè)器芯片通過(guò)在一片讀出電路上互連兩種不同材料像元實(shí)現(xiàn),可見(jiàn)光探測(cè)器采用6譜段Si:PIN陣列,近紅外探測(cè)器采用3譜段碲鎘汞陣列[15];2018年發(fā)射的高分五號(hào)衛(wèi)星搭載了北京空間機(jī)電研究所研制的全譜段光譜成像儀,成像儀的探測(cè)譜段范圍達(dá)到0.45～12.5 μm,其中,短中波和長(zhǎng)波紅外探測(cè)器組件由華北光電技術(shù)研究所研制,采用了多譜段集成技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)了短中波4譜段和長(zhǎng)波4譜段的線列TDI探測(cè)器的集成,芯片上方安裝組合濾光片以實(shí)現(xiàn)譜段劃分[16],引領(lǐng)了我國(guó)多譜段集成紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

3.1.3 紅外探測(cè)器拼接組件

當(dāng)單片探測(cè)器的像元規(guī)模仍無(wú)法滿足載荷需求時(shí),探測(cè)器拼接是解決該問(wèn)題最經(jīng)濟(jì)有效的手段。

面陣拼接紅外探測(cè)器主要應(yīng)用于空間天文望遠(yuǎn)鏡,如NASA正在研制的羅曼太空望遠(yuǎn)鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope),其探測(cè)器組件采用18個(gè)美國(guó)Teledyne的H4RG-10模塊6×3拼接而成,像元規(guī)模超過(guò)3億,是哈勃望遠(yuǎn)鏡的300倍[17];2006年,美國(guó)Teledyne報(bào)道了其為MPF計(jì)劃(Microlensing Planet Finder)研制了一款拼接探測(cè)器組件(圖1),采用35個(gè)H2RG模塊拼接而成,像元規(guī)模達(dá)到1.47 億,低溫面型共面度為33.8 μm@140 K,焦面溫度均勻性優(yōu)于1 K[18]。

圖1 MPF的大面陣拼接紅外探測(cè)器組件

線列拼接紅外探測(cè)器主要應(yīng)用于低軌高分辨率成像載荷和多光譜成像載荷,如2013年發(fā)射的美國(guó)Landsat-8衛(wèi)星,其搭載的OLI(Operational Land Imager)載荷采用的紅外探測(cè)器組件由14個(gè)拼接模塊拼接而成,短波紅外譜段6518元,可實(shí)現(xiàn)185 km幅寬,30 m分辨率[15];2017年發(fā)射的法國(guó)Sentinel-2B衛(wèi)星,其搭載的多光譜相機(jī)采用了12個(gè)短波3譜段紅外探測(cè)器模塊拼接(圖2),線列規(guī)模達(dá)到14550元,可實(shí)現(xiàn)291 km幅寬,20 m分辨率[19]。

圖2 Sentinel-2B的線列拼接紅外探測(cè)器組件

部分超大規(guī)模探測(cè)器組件采用無(wú)杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),這給紅外探測(cè)器組件的地面測(cè)試及驗(yàn)證帶來(lái)困難。美國(guó)Teledyne為Hawaii系列紅外探測(cè)器研制的真空測(cè)試系統(tǒng),可以為組件提供冷平臺(tái)、電學(xué)引出和光學(xué)窗口,可支持單芯片和2×2拼接組件的測(cè)試,冷平臺(tái)變溫范圍60～200 K,控溫精度達(dá)到0.001 K;法國(guó)CEA研制的真空低溫測(cè)試系統(tǒng),主要應(yīng)用于低背景紅外探測(cè)器測(cè)試,其冷屏溫度可以達(dá)到4～10 K,控溫穩(wěn)定度達(dá)到1.7 mK[20]。北京空間機(jī)電研究所研制的紅外探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)(圖3),最大可以支持20 k規(guī)模線列和16 k×16 k規(guī)模面陣拼接組件的測(cè)試,提供外部入射光窗和內(nèi)置低溫黑體,冷平臺(tái)變溫范圍40～100 K,控溫精度達(dá)到0.01 K。

圖3 北京空間機(jī)電研究所研制的紅外探測(cè)器測(cè)試系統(tǒng)

3.2 光譜類器件

成像應(yīng)用載荷一般具有較寬的探測(cè)譜段,通常為微米級(jí),常見(jiàn)的有單光譜和多光譜探測(cè),主要通過(guò)在探測(cè)器前設(shè)置濾光片或者濾光輪來(lái)實(shí)現(xiàn)譜段配置。高光譜載荷相比于成像應(yīng)用的載荷,具有更高的光譜分辨率,不僅可以對(duì)目標(biāo)的幾何信息進(jìn)行采集,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高精度定量化光譜探測(cè),主要可以分為干涉型光譜儀、衍射型光譜儀和濾光片型光譜儀[21],空間高光譜載荷技術(shù)在近十年快速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域從最初的軍事國(guó)防擴(kuò)展到科學(xué)研究、地質(zhì)、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、大氣、海洋、深空探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域[22]。需求的紅外探測(cè)器種類也逐漸增多,且個(gè)性化較強(qiáng),主要有大像元寬譜段探測(cè)器和面陣高幀頻探測(cè)器。

3.2.1 大像元寬譜段探測(cè)器

在高光譜分辨率的探測(cè)應(yīng)用中,通常光譜分辨率達(dá)到幾十到幾百納米,譜段的細(xì)分使得相同條件下入射光通量的降低,為保證足夠的探測(cè)信噪比,需要探測(cè)器有更大的像元尺寸,從幾十微米到幾百微米不等;此外,還要求探測(cè)器在較寬的譜段范圍(微米級(jí))內(nèi)都有較高的量子效率、線性度和像元一致性,以獲得目標(biāo)的寬譜段范圍內(nèi)的高光譜信息。

2017年發(fā)射的日本GCOM-C(Global Change Observation Mission-Climate)衛(wèi)星上的紅外載荷SGLI(Second generation Global Imager)采用法國(guó)Lynred研制的紅外探測(cè)器,該探測(cè)器有兩個(gè)探測(cè)譜段,截止波長(zhǎng)分別為12.5 μm和13.4 μm,譜段帶寬為0.7 μm,工作溫度55 K。為了達(dá)到2500和2350的信噪比,兩個(gè)譜段均采用了5×5的binning來(lái)實(shí)現(xiàn)140×140 μm的像元尺寸,binning后每譜段各有20×2個(gè)像元[23]。

美國(guó)的CrIS(Cross-Track Infrared Sounder)為一臺(tái)傅里葉紅外光譜儀,用于大氣溫度、水汽和氣壓的垂直探測(cè),于2011年首次搭載Suomi NPP(Suomi National Polar-orbiting Partnership)衛(wèi)星發(fā)射,之后又搭載JPSS(Joint Polar Satellite System)衛(wèi)星的01星(2017年發(fā)射)和02星。CrIS采用了美國(guó)DRS研制的三個(gè)紅外探測(cè)器組件(圖4),分別為短波(3.92～4.64 μm)、中波(5.71～8.26 μm)和長(zhǎng)波(9.13～15.38 μm)組件,每個(gè)探測(cè)器組件由3×3個(gè)直徑850 μm左右的像元組成,在系統(tǒng)要求的響應(yīng)譜段內(nèi)均有優(yōu)異的性能[24]。

(a)紅外探測(cè)器模塊實(shí)物

3.2.2 高幀頻面陣探測(cè)器

光譜成像儀兼顧較高的光譜分辨率和幾何分辨率,通常采用面陣探測(cè)器進(jìn)行推掃成像,探測(cè)器陣列的兩個(gè)維度分別作為幾何維和光譜維。該使用方式要求探測(cè)器具有全局曝光功能,以保證一次曝光所獲取的光譜信息對(duì)應(yīng)同一景物;此外,還要求有足夠高的幀頻,滿足推掃方向的成像分辨率要求。

自2000年起,為滿足光譜成像儀應(yīng)用,法國(guó)Lynred研制了一系列高幀頻面陣器件,主要有Neptune(512×256)、Saturn(1024×256)和NGP(1024×1024),該系列紅外探測(cè)器根據(jù)用戶需求,探測(cè)譜段可覆蓋可見(jiàn)近紅外、短波和中波,經(jīng)歷了大量的宇航應(yīng)用,并且有諸多背景應(yīng)用產(chǎn)品在研[8]。2014年12月,日本深空探測(cè)器“隼鳥2號(hào)”(HAYABUSA-2)發(fā)射升空,其搭載的紅外高光譜成像儀MicrOmega采用了Neptune探測(cè)器[25],對(duì)近地小行星“龍宮”的表面物質(zhì)成分進(jìn)行探測(cè),譜段范圍0.95～3.65 μm,光譜分辨率20 cm-1。

德國(guó)AIM也有相關(guān)產(chǎn)品報(bào)道,計(jì)劃于2022年發(fā)射的德國(guó)EnMAP(Environment Mapping and Analysis Program)衛(wèi)星,主要用于對(duì)農(nóng)林、土壤、水體、地質(zhì)和海岸帶進(jìn)行測(cè)量、反演和分析[26],可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)短波譜段230個(gè)通道的光譜探測(cè),地面分辨率達(dá)到30 m,采用了德國(guó)AIM研制的1024×256高光譜探測(cè)器,該探測(cè)器譜段范圍0.9～2.5 μm,采用CTIA輸入級(jí),光譜維的256行增益獨(dú)立可調(diào)(0.45 Me-/1.6 Me-),可行選讀出,全幅最大幀頻188 Hz[13]。

3.3 天文探測(cè)類紅外探測(cè)器

天文探測(cè)類紅外探測(cè)器主要應(yīng)用于太陽(yáng)系外天體探測(cè)和近地小行星探測(cè),前者主要任務(wù)為通過(guò)尋找和觀測(cè)天體,理解宇宙起源,代表載荷為哈勃望遠(yuǎn)鏡和詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡等;后者主要為對(duì)近地威脅小行星進(jìn)行探測(cè)和預(yù)警。與對(duì)地探測(cè)任務(wù)不同,該類型探測(cè)任務(wù)的特點(diǎn)為極弱背景下的弱目標(biāo)探測(cè),連續(xù)觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng),單幀積分時(shí)間達(dá)到分鐘級(jí)。該類型載荷主要工作譜段覆蓋從可見(jiàn)光到遠(yuǎn)紅外,要求探測(cè)器有極高的量子效率、極低的暗電流、極低的讀出噪聲、極低的工作溫度和極高的穩(wěn)定性,此外,空間天文望遠(yuǎn)鏡往往需要大面陣的拼接,對(duì)探測(cè)器的規(guī)模、有效像元率和均勻性也有較高的要求。

該類型探測(cè)器在光敏元材料體系上,主要有碲鎘汞、銻化銦以及非本征硅和鍺。碲鎘汞的應(yīng)用最為廣泛,主要應(yīng)用于可見(jiàn)光到短中波譜段的探測(cè),主要的研制廠商為美國(guó)Raytheon、Teledyne和法國(guó)Lynred。其中,最著名的是Teledyne的Hawaii系列產(chǎn)品,其采用的是碲鎘汞P-on-N雙層平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),其峰值量子效率達(dá)到0.9以上,H4RG-15的暗電流可以達(dá)到0.001 e-/s@11 K;此外,Teledyne報(bào)道其10.7 μm截止波長(zhǎng)碲鎘汞探測(cè)器暗電流可以達(dá)到0.11 e-/s@35 K,代表了國(guó)際領(lǐng)先水平[7]。

天文探測(cè)常選用遠(yuǎn)紅外譜段,目前主要采用硅摻雜和鍺摻雜探測(cè)器。硅和鍺可以通過(guò)摻雜來(lái)減小禁帶寬度,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外探測(cè),該類型探測(cè)器必須工作在10 K以下溫區(qū),硅摻雜探測(cè)器可響應(yīng)到30 μm截止波長(zhǎng),鍺摻雜探測(cè)器可響應(yīng)到500 μm截止波長(zhǎng)附近。美國(guó)的Spizer望遠(yuǎn)鏡(2003年發(fā)射)、WISE望遠(yuǎn)鏡(2009年發(fā)射)均搭載了該類探測(cè)器,目前國(guó)際上的主要研制廠商為美國(guó)Raytheon、DRS和Teledyne。詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡采用的是美國(guó)Raytheon研制的1024×1024 Si:As BIB探測(cè)器,截止波長(zhǎng)26 μm,暗電流<0.1 e-/s@7.1 K[27](圖5)。

圖5 JWST采用的1 k×1 k Si:As非本征探測(cè)器

面向天文探測(cè)應(yīng)用,美國(guó)Raytheon研制了一系列InSb紅外探測(cè)器,代表產(chǎn)品為Aladdin(1 k×1 k)和Orion(2 k×2 k)。Orion探測(cè)器應(yīng)用于NGST(Next Generation Space Telescope)近紅外(0.6～5 μm)載荷,量子效率達(dá)到0.9,暗電流達(dá)到0.02 e-/s@30 K[28]。

4 結(jié) 語(yǔ)

航天遙感紅外探測(cè)器種類豐富、技術(shù)指標(biāo)要求高,一直以來(lái)都代表著紅外探測(cè)器的最高水平。未來(lái)的航天紅外遙感載荷的發(fā)展趨勢(shì),一類向著更高的尖端技術(shù)繼續(xù)攀登,如詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡等,去探索人類未知的奧秘,繼續(xù)牽引紅外探測(cè)器挑戰(zhàn)更低的背景限;另一類向著低成本商業(yè)化發(fā)展,如星鏈等低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),未來(lái)對(duì)于更低成本的紅外探測(cè)器的需求將日益旺盛,Ⅱ類超晶格紅外探測(cè)器等新技術(shù)也將在未來(lái)的宇航應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。