基于VOx非致冷探測器的紅外地球敏感器探討

劉 科，梅志武，涂智軍

(北京控制工程研究所，北京 100190)

紅外地球敏感器是對地定向衛(wèi)星、飛船等航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要測量部件.到目前為止，紅外地球敏感器的主流產(chǎn)品是掃描式紅外地球敏感器，按照其掃描方式分為圓錐掃描紅外地球敏感器、雙圓錐掃描紅外地球敏感器、擺動掃描紅外地球敏感器和自旋掃描紅外地球敏感器等.相比于掃描式紅外地球敏感器，靜態(tài)紅外地球敏感器無機械轉(zhuǎn)動部件，光機結(jié)構(gòu)相對簡單，大大提高了整機的壽命和可靠性，且敏感像元“看到”測量對象的時間長，可達到較高的靈敏度.隨著技術(shù)的不斷進步，光學姿態(tài)敏感器朝著更小、更輕、更低功耗、更高精度和具有更高數(shù)據(jù)刷新率的產(chǎn)品發(fā)展，采用成像器件是紅外地球敏感器發(fā)展的必然趨勢.

由于傳統(tǒng)紅外探測器件的制約，過去靜態(tài)紅外地球敏感器在性能方面表現(xiàn)不佳，沒有形成主流產(chǎn)品.主要是器件工作波段問題，絕大部分成熟的紅外地球敏感器產(chǎn)品測量地球紅外輻射比較穩(wěn)定的CO2吸收帶，波段范圍約為14μm～16μm.其他波段的地球紅外輻射隨經(jīng)緯度和時間的變化較大，不適合作為測量對象.可以工作在此波段范圍內(nèi)且在航天產(chǎn)品上有所應用的探測器有單元式熱敏電阻探測器、熱釋電探測器和熱電堆探測器.其中熱釋電器件需要光調(diào)制，不能取消運動部件，使用復雜.熱電堆探測器由于市場需求不大，以及工藝、成本及工程實現(xiàn)等原因造成了其發(fā)展緩慢，而且像元數(shù)較少，分辨率不高，影響紅外地球敏感器的測量精度，未能形成主流產(chǎn)品.

近期發(fā)展較快的非致冷紅外焦平面探測器屬熱敏電阻型陣列器件，因此在14μm～16μm波段范圍內(nèi)有較高的響應率，而且后端電路可以采用大規(guī)模CMOS集成電路，非常適合研制重量輕、體積小、功耗低、壽命長的靜態(tài)紅外地球敏感器.這種器件根據(jù)熱敏材料的不同可分為VOx(氧化釩)非致冷紅外探測器和α-Si非致冷紅外探測器.α-Si材料的處理工藝相對比較復雜.VOx是目前采用最廣泛的材料，國內(nèi)相關(guān)的器件研究單位大都投入到了VOx非致冷紅外探測器的研制，今后有望改善中國在該類器件采購方面受制于人的困境.

1 靜態(tài)紅外地球敏感器工作原理

紅外地球敏感器獲取地球紅外輻射圈上3個或3個以上點的位置便可計算出地球圓盤的圓心位置，進而得到衛(wèi)星俯仰角和滾動角.靜態(tài)紅外地球敏感器中的紅外焦平面探測器通過光學系統(tǒng)對地球紅外輻射圈成像，經(jīng)過內(nèi)部信息處理系統(tǒng)檢測到地球輻射圈邊緣點位置，計算出地球輻射圈圓心位置和衛(wèi)星姿態(tài)角，其功能框圖如圖1.

圖1 靜態(tài)紅外地球敏感器內(nèi)部功能框圖

圖中驅(qū)動電路為探測器提供驅(qū)動時序控制和數(shù)據(jù)讀寫控制.探測器輸出的模擬電壓信號經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換后輸入到存儲器中，信息處理電路完成圖像除噪和去干擾、探測器非均勻校正、盲元修補、地球紅外輻射圈邊緣點提取、姿態(tài)角計算、與地面檢測設備和星上控制計算機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?

2 VOx非致冷紅外探測器

與傳統(tǒng)致冷型紅外焦平面探測器相比，非致冷紅外焦平面探測器不需要配備致冷器，器件質(zhì)量輕、體積小、壽命長、功耗小，滿足了民用、軍用和宇航紅外系統(tǒng)對長波紅外探測器的迫切需要.

2.1 器件工作原理

VOx非致冷紅外探測器光敏元的生成采用了在讀出電路上生長制備熱敏電阻材料(電阻溫度系數(shù)TCR為－2% ～－3%/K)及紅外輻射吸收層的方法.當紅外輻射入射到器件光敏面時，吸收層吸收紅外輻射產(chǎn)生溫度變化，這種溫度變化傳遞給熱敏電阻材料造成其阻抗改變，通過讀出電路將阻抗的改變轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化輸出［1］.由于光敏元直接在讀出電路上生長，因此不需要采用焦平面和讀出電路的倒裝焊互聯(lián)工藝，降低了封裝復雜性和成本，在簡化器件制備工藝的同時提高了器件可靠性.

根據(jù)器件工作原理可知，探測器的性能與吸收層的紅外吸收效率、VOx材料與周圍材料的熱傳導、光敏元填充率等有關(guān).提高產(chǎn)品性能的方法除了選擇合適的材料之外，還可以通過合理設計像元微結(jié)構(gòu)來達到目的.VOx非致冷紅外探測器芯片采用了MEMS微橋結(jié)構(gòu)，由橋腿支撐的橋面懸浮于襯底上方，完成良好熱隔離的同時實現(xiàn)了熱敏電阻材料與襯底的電接觸.

Honeywell公司在1993年開發(fā)出第一只單層I型橋腿結(jié)構(gòu)的VOx非致冷紅外探測器，其像元結(jié)構(gòu)如圖2所示.其后，多家公司購買該公司專利技術(shù)進一步研發(fā)出多個系列的探測器產(chǎn)品.通過雷聲公司、ITC、DRS、BAE Systems等公司的改進和提高，VOx非致冷紅外探測器又發(fā)展出了雙層微橋等結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)品性能獲得了極大提高.

圖2 單層I型橋腿微結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 單層微橋結(jié)構(gòu)產(chǎn)品性能

BAE Systems公司是全球最大的VOx非致冷紅外探測器供應商，月產(chǎn)量超過1000片.其典型產(chǎn)品SCC500系列的性能參數(shù)見表1［2-4］.

表1 SCC5OO系列主要性能參數(shù)

以色列SCD公司具有代表性的產(chǎn)品型號為BIRD640，像元尺寸 25μm，幀頻 60Hz，NETD ﹤50mK，常溫下工作壽命為15年，經(jīng)受了溫度循環(huán)和隨機振動試驗考核［5］.

Boeing公司U3000系列產(chǎn)品陣列規(guī)模為320×240，像元尺寸51μm ，NETD ﹤100mK，幀頻60Hz，時間常數(shù)25ms，工作溫度 －37℃ ～+50℃.由于采用了偏移補償和溫度補償響應技術(shù)使得器件無需溫度補償，從而降低器件功耗［6］.

2.3 雙層微橋結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品性能

雷聲公司產(chǎn)品采用了一種雙層微橋結(jié)構(gòu)(見圖3)，該結(jié)構(gòu)極大的降低了熱傳導并提高光敏元填充率，像元中心距最小已達到17μm，幀頻由最初的30Hz提高到60Hz.其640×480陣列探測器外觀尺寸為2.5″×2.5″×1″(單位英寸)，功耗﹤ 3W.該公司與美國軍方及航空航天局合作項目中開發(fā)的640×512陣列，像元中心距20μm，NETD﹤30mK，非均勻性＜4%［7-8］.圖4所示為雷聲公司產(chǎn)品成像效果圖.

2.4 傘狀結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品性能

DRS(原Boeing)研制的VOx非致冷紅外探測器采用雙層傘狀結(jié)構(gòu)，見圖5.該公司產(chǎn)品可承受20倍重力加速度及20kHz振動，常溫工作壽命10年，兩種具有代表性的VOx非致冷探測器主要參數(shù)見表2［9］.

圖5 傘狀雙層微橋機構(gòu)掃描電鏡圖

表2 DRS公司典型產(chǎn)品性能參數(shù)

2.5 纏繞型橋腿結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品性能

美國ITC公司器件采用改進型單層微橋結(jié)構(gòu)，見圖6.該種結(jié)構(gòu)采用增加橋腿長度的方法降低了熱傳導，使器件性能得到提高［10］.ITC主要產(chǎn)品參數(shù)見表3.

圖6 采用纏繞型橋腿設計的單層微橋結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖

表3 ITC公司產(chǎn)品研制時間及主要性能參數(shù)

3 基于VOx非致冷紅外探測器的靜態(tài)紅外地球敏感器

如前面章節(jié)所述，由于使用相對簡單、適用多個波段、市場需求大，VOx紅外探測器近年來取得飛速發(fā)展.該類器件在14μm～16μm波段范圍內(nèi)有較高的響應率、不需要致冷、讀出電路采用CMOS集成電路、像元數(shù)高，是發(fā)展靜態(tài)紅外地球敏感器一種較為理想的器件.

采用VOx紅外探測器的靜態(tài)紅外地球敏感器可分為面陣式和線陣式兩種.面陣式靜態(tài)紅外地球敏感器測量角度范圍大，對整個或部分地球紅外輻射圈成像，通過圖像處理可以提取到地球輻射圈的邊界，采取最小二乘法等算法可以獲得姿態(tài)角信息.這種測量方式最大的特點是其獲取了整個地平圈的圖像，信息量豐富，姿態(tài)信息處理方法靈活，可以減小單個像元噪聲的影響.但地球CO2紅外輻射圈不是一個理想的圓且其輪廓隨不同經(jīng)緯度、不同季節(jié)變化，因此要想獲取較高精度，面陣式靜態(tài)紅外地球敏感器必須以地球輻射的精確模型為基礎，對地球輻射圈輪廓的不確定性造成的姿態(tài)角測量誤差進行補償修正.面陣式靜態(tài)紅外地球敏感器具備一定的衛(wèi)星光學有效載荷功能，它能夠?qū)崟r測量14～16μm波段地球紅外輻射圈圖像，對地球輻射模型的完善提供數(shù)據(jù)支持，為進一步提高靜態(tài)紅外地球敏感器測量精度打下基礎.此外，與地球紅外輻射相比，一些飛行物如導彈有更明顯的紅外輻射特征，在敏感器視場內(nèi)能夠探測到這些物體的移動.美國洛克希德-馬丁公司應用Boeing公司的U3000系列探測器研制了面陣式靜態(tài)紅外地球敏感器［11］.法國CNES研究機構(gòu)的 MIRES也采用了陣列規(guī)模為320×240的VOx紅外探測器，其地面測試精度為0.07°左右(3σ)，功耗小于 2W［12］.

線陣式靜態(tài)紅外地球敏感器將地球輻射邊界成像在光學系統(tǒng)的焦平面上，經(jīng)過處理后獲取地球輻射邊界在像面上的精確位置.一個線陣陣列只能獲取地球輻射圈上一個點的位置，因此線陣式測量系統(tǒng)必須組合使用，組合方式可分為兩種:一種是多個線陣陣列呈一定夾角共用同一個大視場的光學系統(tǒng)，通過對各個陣列圖像的處理獲取地球輻射圈上多個點的位置;另一種是一個探頭內(nèi)僅有一個線陣陣列的單線陣式紅外地球敏感器，通過多個探頭的組合獲取多個地平點的位置便可計算出兩軸的姿態(tài).前一種組合方式的光機結(jié)構(gòu)與面陣式靜態(tài)紅外地球敏感器類似，但獲取的信息量少，而且器件的結(jié)構(gòu)需要特殊設計.后一種組合方式中探頭光學系統(tǒng)視場角可大幅減小，相比應用于低軌道衛(wèi)星的面陣式紅外地球敏感器140°左右視場角，這種線陣式紅外地球敏感器光學系統(tǒng)視場角僅為20°左右，受遮擋影響小，對星上安裝的要求低.系統(tǒng)配置更加靈活，增加探頭的個數(shù)還可以提高姿態(tài)信息的冗余度，增強姿控系統(tǒng)的可靠性.雖然該種產(chǎn)品測量角度范圍小，獲取的地平圈位置信息少，但光機電結(jié)構(gòu)復雜度、體積、質(zhì)量、功耗和成本方面相比面陣式紅外地球敏感器更占優(yōu)勢，其姿態(tài)角測量誤差可以根據(jù)公開的地球邊緣輻射分布數(shù)據(jù)進行一定的修正.綜合考慮性能和價格，單線陣式紅外地球敏感器非常適合于對成本敏感、精度要求不高的微小衛(wèi)星使用.加拿大INO公司設計生產(chǎn)了專門針對納星應用的單線陣式VOx紅外地球敏感器，單個探頭的質(zhì)量小于100g［13］.

4 結(jié)束語

自1993年出現(xiàn)第一支VOx非致冷紅外探測器以來，世界各國的研究機構(gòu)都意識到了此種紅外探測器所具有的優(yōu)勢并紛紛投入到對該器件的研制開發(fā)中來，出現(xiàn)了多種陣列微結(jié)構(gòu)形式.器件像元尺寸迅速減小，性能大幅提升.部分產(chǎn)品具備較寬的工作溫度范圍，通過了一定的力學環(huán)境試驗，具備了應用于航天產(chǎn)品的條件.

靜態(tài)紅外地球敏感器是光學敏感器的重要發(fā)展方向，它能夠有效彌補現(xiàn)有使用動態(tài)掃描機構(gòu)的主流產(chǎn)品在壽命、可靠性和重量體積上的不足.VOx探測器是非致冷紅外器件的主流產(chǎn)品，發(fā)展十分迅速，能滿足靜態(tài)紅外地球敏感器所用探測器對波長、重量、功耗等方面的要求.

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