紅外技術應用

　　目前紅外技術作為一種高技術，它與激光技術并駕齊驅，在軍事上占有舉足輕重的地位。紅外成像、紅外偵察、紅外跟蹤、紅外制導、紅外預警、紅外對抗等在現代和未來戰爭中都是很重要的戰術和戰略手段。在70年代以后，軍事紅外技術又逐步向民用部門轉化。紅外加熱和干燥技術廣泛應用于工業、農業、醫學、交通等各個行業和部門。紅外測溫、紅外測濕、紅外理療、紅外檢測、紅外報警、紅外遙感、紅外防偽更是各行業爭相選用的先進技術。標志紅外技術最新成就的紅外熱成像技術，它與雷達、電視一起構成當代三大傳感系統，尤其是焦平面列陣技術的采用，將使它發展成可與眼睛相媲美的凝視系統。

　　1672 年，牛頓使用分光棱鏡把太陽光(白光)分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等各色單色光，證實了太陽光(白光)是由各種顏色的光復合而成。1800年，英國物理學家F. W. 赫胥爾從熱的觀點來研究各種色光時，偶然發現放在光帶紅光外的一支溫度計，比其他色光溫度的指示數值高。經過反復試驗，這個所謂熱量最多的高溫區，總是位于光帶最邊緣處紅光的外面。于是他宣布:太陽發出的輻射中除可見光線外，還有一種人眼看不見的“熱線”，這種看不見的“熱線”位于紅色光外側，叫做紅外線。這種紅外線，又稱紅外輻射，是指波長為0.78～1000μm的電磁波。其中波長為0.78 ～1.5μm 的部分稱為近紅外，波長為1.5 ～10μm的部分稱為中紅外，波長為10～1000μm的部分稱為遠紅外線。而波長為2.0 ～1000μm的部分，也稱為熱紅外線。

　　紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，是自然界存在的一種最為廣泛的電磁波輻射，它在電磁波連續頻譜中的位置是處于無線電波與可見光之間的區域。這種紅外線輻射是，基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量。分子和原子的運動愈劇烈，輻射的能量愈大;反之，輻射的能量愈小。

　　紅外線特性

　　紅外線具有熱效應：生物體中的偶極子和自由電荷在電磁場的作用下，有按電磁場方向排列的趨勢。在此過程中，引發分子，原子無規則運動加劇而產生熱。當紅外輻射有足夠強度時，即超過了生物體的散熱能力，就會使被照射機體局部溫度升高，這是紅外線的熱效應。

　　理論分析和實驗研究表明，不僅太陽光中有紅外線，而且任何溫度高與絕對零度的物體(如人體等)都在不停地輻射紅外線。就是冰和雪，因為它們的溫度也源源高與絕對零度，所以也在不斷的輻射紅外線。因此，紅外線的最大特點是普遍存在于自然界中。也就是說，任何“熱”的物體雖然不發光但都能輻射紅外線。因此紅外線又稱為熱輻射線簡稱熱輻射。

　　紅外線和可見光相比的另一個特點是，色彩豐富多樣，。由于可見光的最長波長是最短波長的1倍 (780nm～380nm)，所以也叫作一個倍頻程。而紅外線的最長波長是最短波長的10倍，即具有10個倍頻程。因此,如果可見光能表現為7種顏色，則紅外線便可能表現70種顏色，顯示了豐富的色彩。

　　紅外線是一種電磁輻射，具有與可見光相似的特性，服從反射和折射定律，也有干涉、衍射和偏振等現象;同時，它又具有粒子性，即它可以光量子的形式發射和吸收。此外，紅外線還有一些與可見光不一樣的獨有特性:

　　(1) 紅外線對人的眼睛不敏感，所以必須用對紅外線敏感的紅外探測器才能接收到;

　　(2) 紅外線的光量子能量比可見光的小，例如10μm波長的紅外光子的能量大約是可見光光子能量的1/20;

　　(3) 紅外線的熱效應比可見光要強得多;

　　(4) 紅外線更易被物質所吸收，但對于薄霧來說，長波紅外線更容易通過。

　　紅外技術的發展

　　19世紀：研究天文星體的紅外輻射，應用紅外光譜進行物質分析。20世紀：紅外技術首先受到軍事部門的關注，因為它提供了在黑暗中觀察、探測軍事目標自身輻射及進行保密通訊的可能性。

　　第一次世界大戰期間研制了一些實驗性紅外裝置，如信號閃爍器、搜索裝置等。第二次世界大戰前夕，德國：紅外顯像管; 戰爭期間：德國，美國：紅外輻射源、窄帶濾光片、紅外探測器、紅外望遠鏡、測輻射熱計等。

　　第二次世界大戰后：前蘇聯。50年代以后，美國：響尾蛇導彈上的尋的器制導裝置和u—2間諜飛機上的紅外照相機代表著當時軍用紅外技術的水平。前視紅外裝置 (FLIR)獲得了軍界的重視，并廣泛使用：機載前視紅外裝置能在1500m上空探測到人、小型車輛和隱蔽目標，在20000 m高空能分辨出汽車，特別是能探測水下40m深處的潛艇。

　　在海灣戰爭中，紅外技術，特別是熱成像技術在軍事上的作用和威力得到充分顯示。

　　紅外探測技術

　　2.1 紅外探測器

　　2.1.1 物理學的進展與紅外探測器

　　紅外輻射與物質(材料)相互作用產生各種效應。100多年來，從經典物理到20世紀開創的近代物理，特別是量子力學、半導體物理等學科的創立，到現代的介觀物理、低維結構物理等等，有許多而且越來越多可用于紅外探測的物理現象和效應。

　　2.1.1.1熱探測器：

　　熱輻射引起材料溫度變化產生可度量的輸出。有多種熱效應可用于紅外探測器。

　　(1)熱脹冷縮效應的液態的水銀溫度計、氣態的高萊池(Golay cell);

　　(2)溫差電(Seebeck)效應?？勺龀蔁犭娕己蜔犭姸?，主要用于測量儀器。

　　(3)共振頻率對溫度的敏感可制作石英共振器非致冷紅外成像陣列。

　　(4) 材料的電阻或介電常數的熱敏效應--輻射引起溫升改變材料電阻用以探測熱輻射- 測輻射熱計(Bolometer)：半導體有高的溫度系數而應用最多，常稱 " 熱敏電阻"。利用轉變溫度附近電阻巨變的超導探測器引起重視。如果室溫度超導成為現實，將是21世紀最引人注目的探測器。

　　(5)熱釋電效應：快速溫度變化使晶體自發極化強度改變，表面電荷發生變化，可作成熱釋電探測器。 熱探測器一般不需致冷( 超導除外 )而易于使用、維護，可靠性好;光譜響應與波長無關，為無選擇性探測器;制備工藝相對簡易，成本較低。但靈敏度低，響應速度慢。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設計問題。

　　2.1.1.2光電探測器：

　　紅外輻射光子在半導體材料中激發非平衡載流子(電子或空穴)，引起電學性能變化。因為載流子不逸出體外，所以稱內光電效應。量子光電效應靈敏度高，響應速度比熱探測器快得多，是選擇性探測器。為了達到最佳性能，一般都需要在低溫下工作。光電探測器可分為：

　　(1) 光導型：又稱光敏電阻。入射光子激發均勻半導體中的價帶電子越過禁帶進入導帶并在價帶留下空穴，引起電導增加，為本征光電導。從禁帶中的雜質能級也可激發光生載流子進入導帶或價帶，為雜質光電導。截止波長由雜質電離能決定。量子效率低于本征光導，而且要求更低的工作溫度。

　　(2)光伏型：主要是p-n結的光生伏特效應。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結區及其附近激發電子空穴對。存在的結電場使空穴進入p區，電子進入 n 區，兩部分出現電位差。外電路就有電壓或電流信號。與光導探測器比較，光伏探測器背影限探測率大于40%;不需要外加偏置電場和負載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。這些特性給制備和使用焦平面陣列帶來很大好處。

　　(3)光發射-Schottky勢壘探測器：金屬和半導體接觸，典型的有 PtSi/Si結構，形成Schott ky勢壘，紅外光子透過Si層為PtSi吸收，電子獲得能量躍上 Fermi能級，留下空穴越過勢壘進入Si襯底，PtSi層的電子被收集，完成紅外探測。充分利用Si集成技術，便于制作，具有成本低、均勻性好等優勢，可做成大規模(1024×1024甚至更大)焦平面陣列來彌補量子效率低的缺陷。有嚴格的低溫要求。用這類探測器，國內外已生產出具有像質良好的熱像儀。 Pt Si/Si結構FPA是最早制成的IRFPA。

　　(4)量子阱探測器(QWIP)：將兩種半導體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱A層內，能量量子化，稱為量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。90年代以來發展很快，已有512×512、64 0×480規模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相應的熱像儀誕生。因為入射輻射中只有垂直于超晶格生長面的電極化矢量起作用，光子利用率低;量子阱中基態電子濃度受摻雜限制，量子效率不高;響應光譜區窄;低溫要求苛刻。人們正深入研究努力加以改進，可望與碲鎘汞探測器一爭高低。

　　2.1.2新技術飛速發展促進紅外探測器更新換代

　　60 年代以前多為單元探測器掃描成像，但靈敏度低，二維掃描系統結構復雜笨重。增加探測元，例如有N元組成的探測器，靈敏度增加N1/2倍，一個M×N陣列，靈敏度增長(M×N)1/2倍。元數增加還將簡化光機掃描機構，大規模凝視焦平面陣列，不再需要光機掃描，大大簡化整機系統?，F代探測器技術進入第二、第三代，重要標志之一就是元數大大增加。另一方面是開發同時覆蓋兩個波段以上的雙色和多光譜探測器。所有進展都離不開新技術特別是半導體技術的開發和進步。幾項具有里程碑意義的技術有：

　　(1)半導體精密光刻技術 使探測器技術由單元向多元線列探測器迅速發展，即后來稱為第一代探測器。

　　(2)Si集成電路技術 Si讀出電路與光敏元大面陣耦合，誕生了所謂第二代的大規模紅外焦平面陣列探測器 。更進一步有Z平面和靈巧型智能探測器等新品種。此項技術還誘導產生非制冷焦平面陣列 ，使一度冷落的熱探測器重現勃勃生機。

　　(3)先進的薄層材料生長技術 分子束外延、金屬有機化學汽相淀積和液相外延等技術可重復、精密控制生長大面積高度均勻材料，使制備大規模紅外焦平面陣列成為可能。也是量子阱探測器出現的前提。

　　(4)微型制冷技術 高性能探測器低溫要求驅動微型制冷機的開發，制冷技術又促進了探測器的研制和應用。

　　我國紅外探測器研制從1958年開始，至今已40多年。先后研制過PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和熱釋電探測器等。 隨著低維材料出現，納米電子學、光電一體化等技術日新月異，21世紀紅外探測器必有革命性的進展。物理學及材料科學是現代技術發展的主要基礎，現代技術飛速發展對物理學研究 又有巨大的反作用。

　　4、高性能紅外探測器-碲鎘汞探測器

　　1959年，英國Lawson等首先制成可變帶隙Hg1-xCdxTe固溶體合金，提供了紅外探測器設計空前的自由度。

　　碲鎘汞有三大優勢：

　　1)本征激發、高的吸收系數和高的量子效率(可超過80%)且有高的探測率;

　　2)其最吸引人的特性是改變Hg、Cd配比調節響應波段，可以工作在各個紅外光譜區段并獲得最佳性能。而且晶格參數幾乎恒定不變，對制備復合禁帶異質結結構新器件特別重要

　　3)同樣的響應波段，工作溫度較高，可工作的溫度范圍也較寬。

　　碲鎘汞中，弱Hg-Te鍵(比Cd-Te鍵弱約30%)，可通過熱處理或特定途徑形成P或N型，并可完成轉型。其電學性質如1載流子濃度低，2少數載流子壽命長，3電子空穴有效質量比大(～10.0)，電子遷移率高，4介電常數小等有利于探測器性能。

　　第一代碲鎘汞探測器主要是多元光導型，美國采用60、120和180元光導探測器作為熱像儀通用組件，英國則以70年代中期開發的SPRITE為通用組件。 SPRITE是一種三電極光導器件，利用半導體中非平衡載流子掃出效應，當光點掃描速度與載流子雙極漂移速度匹配，使探測器在完成輻射探測的同時實現信號的時間延遲積分功能。8條SPRIET的性能可相當100元以上的多元探測器。結構、制備工藝和后續電子學大大簡化?，F有技術又克服了高光機掃描速度和空間分辨率受限制等兩個缺陷。

　　1992年誕生了第一臺國產化通用組件高性能熱像儀，SPRITE探測器研制成功是關鍵。到90年代初，第一代碲鎘汞光導探測器紛紛完成技術鑒定，性能達到世界先進水平。

　　兵器工業211所的SPRITE、32和60元探測器已實用化并投入批量生產，規模和市場不斷擴大。國外在80年代就已大批量生產。由于電極、杜瓦瓶設計和制冷機方面的重重困難，第一代碲鎘汞探測器元數一般無法超過200。大的碲鎘汞光敏陣列和Si讀出集成電路分別制備并最佳化，然后兩者進行電學耦合和機械聯結形成混合式焦平面陣列，就是第二代碲鎘汞探測器。

　　目前國際上已研制出256×256甚至640×480規模的長波IRFPA。中波紅外已有用于天文的1024×1024的規模，現階段典型產品是法國的4N系列288×4掃描式FPA。國內仍處于研制開發階段。晶體碲鎘汞材料也有鮮明的弱勢：

　　1)相圖液線和固線分離大，分凝引起徑向、縱向組分不均勻;

　　2)高Hg壓使大直徑晶體生長困難，晶格結構完整性差;

　　3)重復生產成品率低。薄膜材料的困難在于難以獲得理想的CdZnTe襯底材料。

　　人們致力于研究替代襯底，如PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy )- I ( HgCdTe / CdTe/ 寶石)，PACE-II(HgCdTe/C dTe/GaAs)和PACE-III(HgCdTe/CdTe/Si)。日本和法國還報道Ge襯底，目標是與MCT的晶格 匹配并有利于與Si讀出線路的耦合。 優質碲鎘汞材料制備困難、均勻性差、器件工藝特殊，成品率低，因而成本高一直是困擾碲鎘汞IRFPA的主要障礙。人們始終沒有放棄尋找材料的努力，但迄今還沒有一種新材料能超過碲鎘汞的基本優點。為滿足軍事應用更高的性能要求，碲鎘汞FPA仍然是首選探測器。

　　5、非致冷焦平面陣列 (UFPA)紅外探測器

　　非制冷焦平面陣列省去了昂貴的低溫制冷系統和復雜的掃描裝置，敏感器件以熱探測器為主。突破了歷來熱像儀成本高昂的障礙，"使傳感器領域發生變革"。另外，它的可靠性也大大提高、維護簡單、工作壽命延長，因為低溫制冷系統和復雜掃描裝置常常是紅外系統的故障源。非致冷探測器的靈敏度(D)比低溫碲鎘汞要小1 個量級以上，但是以大的焦平面陣列來彌補，便可和第一代MCT探測器爭雄。對許多應用，特別是監視與夜視而言已經足夠。廣闊的準軍事和民用市場更是它施展拳腳的領域。為避免大量投資，把硅集成電路工藝引入低成本、非制冷紅外探測器開發生產，制造大型高密度陣列和推進系統集成化的信號處理，即大規模焦平面陣列技術，潛力十分巨大。正因為如此，單元性能較低的熱電探測器又重新引人注目，而且可能成為21世紀最具競爭力的探測器之一。目前發展最快、前景看好的有兩類UFPA：

　　(1)熱釋電FPA。熱釋電探測器的研究早在60年代和70年代就頗為盛行，有過多種材料，較新型的有鈦酸鍶鋇(BST)陶瓷和鈦酸鈧鉛(PST)等。美國TI公司推出的328×240鈦酸鍶鋇(BST)FPA已形成產品，NETD優于0.1K，有多種應用。計劃中還有 640×480的FPA，發展趨勢是將鐵電材料薄膜淀積于硅片上，制成單片式熱釋電焦平面，有很高的潛在性能，可望實現1000×1000陣列的優質成像。

　　(2)微測輻射熱計(Microbolometer)。它是在IC-CMOS硅片上以淀積技術，用Si3N4支撐有高電阻溫度系數和高電阻率的熱敏電阻材料Vox或α-Si，做成微橋結構器件(單片式FPA)。接收熱輻射引起溫度變化而改變阻值，直流耦合無須斬波器，僅需一半導體制冷器保持其穩定的工作溫度。90年代初，由Honeywell公司首先開發，研制成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA，并以此制成實用的熱像系統，NETD已達到0.1K以下，可望在近期達到0.02K。此類FPA90年代發展神速，成為熱點。與熱釋電UFPA 比較，微測輻射熱計采用硅集成工藝，制造成本低廉;有好的線性響應和高的動態范圍;像元間好的絕緣而有低的串音和圖像模糊;低的1/f噪聲;以及高的幀速和潛在高靈敏度(理論NETD可達0.01K)。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪聲帶寬不足以與熱釋電相比。

　　再結合載機和目標空間運動的幾何關系方程組，聯立可迭代求解目標的距離和速度初值，然后根據公式(6)可對目標的后續采樣點進行遞推求解，這為滿足實時解算打下了基礎。還可用濾波算法來進行平滑和外推處理，提高精度。

　　通過紅外探測器測量目標在兩個波段、兩個采樣時刻上的輻射通量，就可以解算出目標距離和徑向速度。

　　2.3 紅外探測發展前景

　　為了滿足紅外信息獲取技術發展需求，美國等發達國家在頻譜波段上積極探索。無縫隙探測”.在微波/毫米波、可見光/中波紅外/長波紅外等波段探測方面取得了很大迸展.

　　2.3.1 紅外焦平面陣列技術

　　首先在美國、法國等發達國家，基于窄禁帶半導體蹄福汞材料的單波段紅外焦平面器件技術已經成熟，以288×4元長波和256×256元中波為代表的焦平面器件已基本取代了多元光導線列通用組件.256×256元蹄福汞焦平面探測器已實現工程應用.并已經向更大規模的凝視型面誶焦平面探測器、雙色探測器發展. 長波器件已達到256×256元的規模，中、短波器件達到了512×512元甚至2048×2048元的規模，長線陣的掃描型焦平面因其在空問對地觀測方面需求而受到高度重視，針對不同應用目標，1500遠紅外中長波、3000遠紅外短波、4000遠紅外長波以及6000遠紅外中、短波長線列焦平面器件紛紛問世。

　　紅外焦平面器件技術，不但要發展基于材料溫度特性的硅Bolometer和鐵電材料熱釋電或熱容性紅外焦平面器件，還要著力發展基于微光機電技術的熱機械應變式紅外焦平面器件。同時通過新型材料的探索，將優異的器件結構和材料特性有效地組合構成性能更為優越的焦平面器件，形成了當前發展的重要方向之一.例如，法國的大型紅外焦平面陣列(TRFPA)和雙波段紅外焦平面陣列技術以及小像素非晶硅非制冷探測器技術研究已經取得了一定的進展.

　　2.3.2 紅外電子物理

　　紅外光電子物理發展的一個焦點就是紅外焦平面相關的物理問題。如以蹄福汞材料為主要研究對象的窄禁帶半導體物理已獲得很好的發展，直接支撐了以蹄福汞為代表的紅外焦平面技術}而基于半導體微結構、納米結構能帶工程的了帶物理也正在快速發展，有力地推進了以量子阱紅外探測器及其它量子器件為代表的新一類焦平面技術，以光電物理為基礎的新型紅外探測應用材料與物理研究也在近年變得十分活躍。紅外光電子物理已成為主要研究在紅外波段能量范圍內電磁輻射與物質相互作用，研究紅外輻射和探測的原理與機制，探索新的材料和器件，為紅外光電子技術提供科學基礎以及直接應用的熱門學科.

　　到目前為止，紅外預警探測系統集紅外探測器技術、制冷技術和光電技術、信號處理技術、自動控制技術于一體，以無源方式工作，自身隱蔽性好抗干擾能力強探測目標范圍廣，已逐漸成為對來襲威脅目標預警的主要手段之一.

　　2.3.3 雙波段探測

　　單一波段紅外探測系統會由于目標偽裝，環境干擾等因素導致其探測能力和準確度下降，面雙波段探測器件不但可以提高系統對假目標的鑒別能力，還可以降低系統的闌值電平，提高系統的探測距離等，所以雙波段探測具有較好地發展前景。例如，法國。斯皮拉爾”艦用紅外警戒系統和荷蘭的IRSCAN等都采用的是雙波段探測.

　　2.3.4 復合探測

　　由于紅外焦平面陣列技術已由單像元單色發展到雙色，并向三色、四色的方向發展，預計年前將獲得超光譜應用的能力.目前雙色凝視焦平面陣列的野外測試已在進行.同時采用光譜濾波器線陣多色焦平面可實現覆蓋可見光到長波紅外的探測，其光譜段已可多達數十個到數百個。美國波音飛機公司電子系統和導彈防御部在這方面的研究已取得了很大的進展，波音/羅克威爾的遙感器用HgCdT-e多光譜紅外焦平面PACE一1已達1024×1024元，Hawaii一2采用 2048×2048元陣列已研制出來，其像元尺寸小達18×18。

　　采用雷達、紅外、紫外、激光等技術的綜合型復合光電探測器系統，并不斷拓展其響應頻譜范圍，降低虛警率和提高多傳感器數據融合能力，才能滿足未來戰場的需要.例如，美國空軍研制的復合告警器，可同時探測紅外、可見光、紫外及射頻威脅.

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