CE-II型EKV紅外傳感器性能分析

康 甜

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CE-II型EKV紅外傳感器性能分析

康 甜

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

簡要介紹了紅外傳感器主要參數(shù)對其性能的影響規(guī)律，調(diào)研了EKV紅外傳感器的發(fā)展歷程，對CE-II型EKV紅外傳感器的性能參數(shù)進行了估計，其在像元陣列、視場角和幀頻方面應(yīng)當(dāng)有明顯提升。分別利用探測率和噪聲等效輻照度對探測距離進行了計算，結(jié)果表明CE-II型EKV紅外傳感器的實際探測距離應(yīng)當(dāng)在500km水平。

EKV；FPA；紅外傳感器；探測距離

0 引言

大氣層外殺傷器（EKV，Extro-atmoshpere Kill Vehicle）是美國地基中段防御（GMD，Ground-based Midcourse Defense）系統(tǒng)中地基攔截彈（GBI，Ground Base Interceptor）的有效載荷，承擔(dān)中段末端攔截的目標(biāo)搜索、識別、跟蹤和碰撞殺傷的任務(wù)。2014年6月，美國成功開展了代號為FTG-06B的地基中段防御系統(tǒng)攔截試驗。此次攔截試驗是CE-II型EKV首次成功攔截目標(biāo)。試驗中，EKV成功從誘餌中識別出“彈頭”。紅外傳感器是EKV實現(xiàn)目標(biāo)識別和跟蹤的關(guān)鍵器件。本文回顧了EKV紅外傳感器的發(fā)展歷程，并對CE-II型EKV的紅外傳感器關(guān)鍵性能參數(shù)進行了分析。

1 紅外傳感器性能參數(shù)

EKV用紅外傳感器為凝視型紅外焦平面陣列（Focal Plane Array, FPA），主要性能參數(shù)及其對探測性能的影響簡要介紹如下：

1）像元尺寸：像元尺寸決定了探測的瞬時視場角；像元尺寸越小，相同尺寸傳感器的陣列規(guī)模越大，空間分辨率越高；像元尺寸越大，可以提高光敏面積占比，即填充系數(shù)，則靈敏度越高。

2）像元陣列：像元陣列越大，視場角越大。

3）截止波長：截止波長決定了衍射極限光斑直徑，像元尺寸應(yīng)大于衍射極限光斑直徑（否則會引起光學(xué)串音[1]）。截止波長取決于目標(biāo)的輻射波長范圍。

4）量子效率：探測器接收輻射后所產(chǎn)生的載流子數(shù)與入射光子數(shù)之比稱為量子效率。量子效率與材料組分和工作溫度有關(guān)[2]。量子效率越高，對讀出電路的輸出電流越大。

5）工作溫度：工作溫度越低，量子效率越高，噪聲等效輻照度越低。

6）暗電流/漏電流：暗電流與結(jié)面積的平方成正比。光敏面積越小，暗電流越小，對讀出電路的輸出電流越大。

7）零偏電阻面積積：無偏壓電阻值與二極管面積的乘積[3]。決定了傳感器的電流-電壓特性，零偏電阻面積積越大，探測率越高。

8）峰值探測率：正比于探測器面積和帶寬的平方根，探測距離的平方正比于峰值探測率[3]。

9）噪聲等效輻照度、噪聲等效溫度、噪聲等效功率：均用于表征傳感器自身的噪聲水平，3個量之間為線性正相關(guān)，量值越低，傳感器性能越好。

10）動態(tài)范圍：傳感器輸出的最大值和最小值的比值，是信噪比的另一種描述形式。動態(tài)范圍越大，傳感器的測量精度越高。

11）響應(yīng)一致性：響應(yīng)一致性越高，陣列中各像元對于相同輸入條件下的響應(yīng)則越接近，傳感器性能越好。像元響應(yīng)的非均勻性需要通過補償算法來進行修正，也可以通過減小模數(shù)轉(zhuǎn)換的位數(shù)，但這樣又會減小系統(tǒng)的動態(tài)范圍[4]。

12）可用像元：傳感器陣列中由于生產(chǎn)工藝缺陷等，存在個別像元無法正常工作的情況。可用像元比例越高，傳感器性能越好。

13）積分時間：積分時間越長，光通量越大，即信噪比越大，測量的準(zhǔn)確度就越高。積分時間受到讀出電路幀頻率的限制，一般小于幀間隔時間。同時積分時間決定了系統(tǒng)帶寬。

14）瞬時視場角：單個像元對應(yīng)的視場角。瞬時視場角越大，橫向距離分辨率越大，對同一物體可分辨的距離就越遠。

15）等效焦距：焦距越大，相同分辨率要求，像元尺寸可以較大。

16）通光孔徑：通光孔徑越大，通光面積越大，探測目標(biāo)的光通量越大。

17）光圈：焦距與通光孔徑的比值，光圈數(shù)越小，通光量越大。

2 EKV紅外傳感器發(fā)展歷程

自1998年以來，Raytheon公司是EKV的唯一研制單位，其下屬部門Raytheon Vision System（RVS）負責(zé)EKV紅外傳感器的研制。

1998年，EKV紅外探測系統(tǒng)是由一個單色長波紅外焦平面陣列和一個單色甚長波紅外FPA組成的雙波段探測系統(tǒng)，安裝在陶瓷或者鈹?shù)慕M件上[5]。像元陣列256×256，像元尺寸30mm，結(jié)構(gòu)形式為液相外延生長的雙層異質(zhì)結(jié)，基體材料為CdZnTe，鈍化層為CdTe。飛行中用液氮快速冷卻至70K。一個FPA的截止頻率位于長波波段的較低部分，另一個位于長波波段較高的部分。讀出電路型號為S-117。當(dāng)時的Raytheon Infrared Center of Excellence對兩個波段的FPA分別進行了測試，測試的工作溫度71K，光圈/2.5。測試要求量子效率在8.6mm時大于60%，實際測試得到的量子效率大于70%。表1是兩個FPA的主要測試結(jié)果。兩個FPA的平均噪聲等效輻照度均在1011photon·cm－2·s－1量級。

表1 1998年EKV紅外FPA測試結(jié)果

此后，RVS主要針對雙色紅外FPA開展了大量研發(fā)工作。采用更大規(guī)模雙色長波紅外FPA具有諸多優(yōu)勢：FPA的規(guī)模越大，可以增大視場角，和捕獲目標(biāo)的距離。利用兩個不同波段的光譜信息可以辨識絕對溫度以及目標(biāo)的特征。結(jié)合先進的信號處理，雙色紅外探測與單色相比，可以提高敏感性。雙色長波紅外FPA可有助于提高彈道導(dǎo)彈彈頭的捕獲、識別和跟蹤的能力[6]。

2004年，RVS的256×256、30mm雙色紅外FPA就取得了顯著的成果。RVS能夠提供任意兩個不相重疊波段的雙色紅外FPA，波長范圍從短波一直到甚長波[6]。

2005年起，MDA（Missile Defense Agency）提出了“大氣層外探測器性能增強”項目，旨在發(fā)展低成本的、性能增強的、用于EKV和其他BMD（Ballistic Missile Defense）系統(tǒng)，如KEI（Kinetic Energy Interceptor），MKV（Multiple Kill Vehicle），SM-3（Standard Missile-3）等的紅外探測器。目標(biāo)要求是增加探測距離、增大探測視場、提高對目標(biāo)的分辨率、優(yōu)化導(dǎo)航方式和瞄準(zhǔn)點的選擇。該項目要求采用新技術(shù)的探測器必須能夠滿足目前探測器的體積和重量要求，并且能夠在2010年至2012年間實現(xiàn)替換。需要增強的主要器件就包括了大規(guī)模多色FPA。上世紀(jì)末研制的EKV探測器有兩個長波紅外FPA，需要進行分光[5]，信號重構(gòu)和傳感器的校準(zhǔn)降低了系統(tǒng)的可靠性。通過該項目希望能夠?qū)崿F(xiàn)：單片512×512的可同時讀出的多色長波紅外FPA，像元一致性、可用性高，像元尺寸?。s25mm），讀出電路噪聲低，使EKV的捕獲、跟蹤和識別能力增強；同時減小成本、重量和體積。該項目要求的探測波長范圍為8～12mm。

2006年，RVS成功研制了一款20mm的中波/長波雙色紅外FPA[7]。圖1是該傳感器78K工作溫度下的光譜響應(yīng)曲線，相對響應(yīng)為0.5的截止波長，中波為5.5mm，長波為10.5mm。

圖1 RVS中波/長波紅外FPA頻譜響應(yīng)曲線

2010年，RVS已經(jīng)可以生產(chǎn)像元陣列512×512、像元尺寸30mm的雙色長波紅外FPA[8]，采用分子束外延3層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，襯底材料為CdZnTe。兩個波段的截止頻率大約為8mm和11mm，工作溫度70K，像元的響應(yīng)曲線如圖2所示。測試用的讀出電路型號為SB-410，幀頻為100Hz。SB-410采用了一種邊積分邊讀出的工作模式，可以使得積分時間達到幀間隔的99%以上，能夠在低背景噪聲情況下提供最大的靈敏度。工作溫度72K時，較低波段有效像元99.0%，較長波段是96.5%。2011年時，當(dāng)工作溫度為68K，較長波段的有效像元提高到了99.02%，較低波段為99.33%[9]。

3 CE-II型EKV紅外探測能力分析

3.1 CE-II型EKV紅外傳感器主要性能參數(shù)

以Raytheon目前的技術(shù)能力，CE-II型EKV紅外傳感器應(yīng)當(dāng)較CE-I型有明顯的性能提升。由于尚無官方報道，分析時取RVS能夠達到的最高水平，根據(jù)調(diào)研結(jié)果估計的CE-II型EKV紅外傳感器的主要性能參數(shù)見表2。

圖2 RVS雙色長波/長波紅外FPA響應(yīng)曲線

Fig.2 LWIR/LWIR FPA spectral response curves at RVS

表2 CE-II型EKV紅外傳感器性能參數(shù)

除表2中所列性能參數(shù)，表征探測能力的關(guān)鍵參數(shù)還有探測率和探測距離。下面依次對這兩個參數(shù)進行了計算分析。

3.2 探測率估算

峰值探測率與系統(tǒng)本身以及背景光子通量有關(guān)，計算公式為[3]：

式中：*為峰值探測率；p為峰值波長；為普朗克常數(shù)，6.626×10－34Js；為光速，3×108m/s；為量子效率；為電子電荷，1.6×10－19C；為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10－23J/K；為工作溫度，K；0為零偏電阻面積積；b為背景光子通量。

背景光子通量計算公式如下：

式中：為視場角，rad；1為波長下限；2為波長上限；b為背景溫度。

對于EKV而言主要的背景輻射來自于探測器光學(xué)系統(tǒng)窗口玻璃的紅外輻射，需要考慮窗口玻璃的紅外發(fā)射率：

式中：b,o為窗口玻璃產(chǎn)生的背景光子通量；o為窗口玻璃的紅外輻射率；o為窗口玻璃溫度。

根據(jù)調(diào)研獲得的EKV紅外FPA以及光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，設(shè)置各計算參數(shù)如表3所示。計算得到峰值探測率為2.7508×1010m·Hz1/2·W－1。

表3 EKV紅外傳感器探測率計算參數(shù)

3.3 探測距離估算

用光子數(shù)表示的等效噪聲輻照度可以根據(jù)公式(4)和公式(5)轉(zhuǎn)換為等效噪聲功率。若已知系統(tǒng)帶寬和比探測率，等效噪聲噪聲功率還可以用公式(6)計算：

式中：NEI為噪聲等效輻照度；NEFD為噪聲等效流量密度；NEP為噪聲等效功率；d為像元面積；Δ為探測器等效噪聲帶寬。

根據(jù)調(diào)研獲得的CE-II型EKV紅外探測器的參數(shù)，并設(shè)置計算參數(shù)如表4所示。根據(jù)表2中噪聲等效輻照度計算得到的等效噪聲功率為2.1468×10－14W；而根據(jù)上文計算的峰值探測率計算得到的等效噪聲功率為8.6219×10－15W。由于平均噪聲等效輻照度是整個FPA所有像元的均值，而峰值探測率是單個像元的理論計算值；二者必然存在一定差異。測量的噪聲等效輻照度實際上包含了其他因素的影響，肯定較理論計算值更大。

表4 EKV紅外傳感器探測距離計算參數(shù)

探測距離的大小與像元的噪聲等效流量密度是直接相關(guān)的。計算時首先要根據(jù)目標(biāo)的光子輻射度，求出目標(biāo)在波段范圍內(nèi)的輻射功率，計算見公式(7)和公式(8)。而到達探測器單個像元上的流量密度要高于噪聲等效流量密度的一個量級，才能形成有效的探測信號。輻射能量從光學(xué)系統(tǒng)的鏡頭匯聚到單個像元上，其流量密度會顯著增大若干個量級，即光學(xué)系統(tǒng)的增益。該增益與通光孔徑和像元大小有關(guān)。根據(jù)公式(9)和公式(10)，即可計算出探測距離：

式中：t為目標(biāo)光子輻射度；t為目標(biāo)的紅外發(fā)射率；t為目標(biāo)表面溫度；t為目標(biāo)等效紅外輻射面積；為目標(biāo)在探測波段內(nèi)的平均輻射功率；為探測距離；o為探測器光學(xué)系統(tǒng)增益；o為探測器通光面積；o為通光孔徑；a為距離處探測波段內(nèi)的平均大氣透過率；o為探測器光學(xué)系統(tǒng)的平均光譜透過率；SNR為探測器最小捕獲信噪比，這里取10。

4 結(jié)論

CE-II型EKV紅外傳感器在像元陣列、視場角和幀頻方面應(yīng)當(dāng)有明顯提升。由于視場角增大，探測率較之前型號有所提高，峰值波長10mm對應(yīng)的探測率為2.75×1010m·Hz1/2·W－1，計算得到的探測距離約為880km。而用實測的噪聲等效輻照度計算得到的探測距離為558km。由此估計CE-II型EKV的實際探測距離應(yīng)當(dāng)在500km水平。

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Performance Analysis of CE-II EKV Infrared Sensor

KANG Tian

（Institute of Systems Engineering at China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China）

A brief introduction of infrared sensor main characteristics and their effects were presented. Development and history of EKV infrared sensor was investigated. Estimations of CE-II EKV infrared sensor performance show its format scale, field of view angle, and frame rate were improved. Detection range was calculated respectively with detectivity and noise equivalent irradiance, and results show that the actual detection range of CE-II EKV infrared sensor is around 500km.

EKV，F(xiàn)PA，infrared sensor，detection range

TN215

A

1001-8891(2017)06-0495-05

2016-05-28；

2016-08-24.

康甜（1987-），女，工程碩士，工程師。主要研究方向：突防技術(shù)。E-mail：411kangt@caep.cn。

總裝預(yù)研；863計劃（2013AA8021029）。