“高分五號(hào)”衛(wèi)星多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器

王成剛 東海杰 劉澤巍 謝珩 李冬冰 喻松林

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“高分五號(hào)”衛(wèi)星多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器

王成剛 東海杰 劉澤巍 謝珩 李冬冰 喻松林

（華北光電技術(shù)研究所，北京 100015）

多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件是“高分五號(hào)”衛(wèi)星全譜段光譜成像儀的核心器件。為滿足航天型號(hào)應(yīng)用要求，華北光電技術(shù)研究所項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)立足已有技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件技術(shù)”，引領(lǐng)了中國(guó)多譜段集成紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，譜段集成數(shù)量達(dá)到4個(gè)，分別實(shí)現(xiàn)了短中波4個(gè)譜段和長(zhǎng)波4個(gè)譜段的集成，譜段從短波1.55μm覆蓋至長(zhǎng)波12.5μm，并根據(jù)探測(cè)組件在軌工作剖面，開(kāi)展了地面8年壽命的試驗(yàn)考核。測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果表明：多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件產(chǎn)品的性能、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性滿足要求。

多譜段集成 時(shí)間延遲積分電荷耦合器件 紅外探測(cè)器 “高分五號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

隨著紅外探測(cè)技術(shù)在宇航領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，目前在環(huán)境監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查等應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)多譜段集成紅外探測(cè)器[1-3]的需求越來(lái)越迫切。其優(yōu)勢(shì)是，通過(guò)多譜段（覆蓋短波、中波、長(zhǎng)波紅外）集成可以大大減少載荷體積和質(zhì)量，降低光學(xué)設(shè)計(jì)難度；另外，從獲取的多個(gè)譜段的高空間分辨率光譜圖像數(shù)據(jù)可以從空間匹配和光譜匹配兩方面對(duì)地物目標(biāo)進(jìn)行分析和識(shí)別，從而取得更加豐富的地物目標(biāo)信息，提高地物目標(biāo)的探測(cè)能力。

隨著紅外探測(cè)器技術(shù)自身的發(fā)展及應(yīng)用牽引，長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器正在從單譜段向多譜段集成方向發(fā)展，集成譜段數(shù)量也在逐漸增多。相比于單一譜段紅外探測(cè)器，多譜段集成紅外探測(cè)器對(duì)讀出電路設(shè)計(jì)提出了諸多挑戰(zhàn)，如低功耗、低噪聲、多譜段集成設(shè)計(jì)等[4]。為滿足“高分五號(hào)”衛(wèi)星（以下稱GF-5衛(wèi)星）全譜段光譜成像儀對(duì)探測(cè)器的需求，在國(guó)家重大科技專項(xiàng)支持下，華北光電技術(shù)研究所組建了多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，從2011年開(kāi)始，開(kāi)展了組件總體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品研制和地面驗(yàn)證等專項(xiàng)攻關(guān)工作。

1 多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件設(shè)計(jì)

全譜段光譜成像儀紅外探測(cè)器組件光譜覆蓋范圍為1.55~12.5μm，共計(jì)8個(gè)譜段，采用了2個(gè)紅外探測(cè)器組件，完成8個(gè)譜段的集成。短中波組件集成了短波2個(gè)譜段、中波2個(gè)譜段，共4個(gè)譜段（SW1，SW2，MW1，MW2），短波每個(gè)譜段探測(cè)器像元規(guī)模為3 072×3元、中波每個(gè)譜段像元規(guī)模1 536×3元；長(zhǎng)波組件集成了4個(gè)譜段（LW1，LW2，LW3，LW4），每個(gè)譜段像元規(guī)模為1 536×3元。該組件是目前國(guó)內(nèi)集成譜段最多、光譜覆蓋范圍最寬的紅外探測(cè)器組件。項(xiàng)目組創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“紅外TDI線列探測(cè)器多譜段集成技術(shù)”，引領(lǐng)了我國(guó)多譜段集成紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展。

紅外探測(cè)器譜段集成示意如圖1所示。紅外焦平面組件總體設(shè)計(jì)采用紅外探測(cè)器大尺寸冷箱封裝結(jié)構(gòu)形式，主要由紅外探測(cè)器、冷箱封裝結(jié)構(gòu)和脈沖管制冷機(jī)組成。紅外探測(cè)器采用3個(gè)子模塊（DS1、DS2和DS3）交錯(cuò)拼接，子模塊由探測(cè)器芯片和讀出電路互連而成；探測(cè)器芯片采用碲鎘汞外延材料制造光伏二極管陣列，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換功能；讀出電路采用數(shù)?；旌闲图呻娐?，標(biāo)準(zhǔn)0.35μm硅CMOS工藝制造；探測(cè)器輸出的電子學(xué)信號(hào)通過(guò)讀出電路進(jìn)行電荷積分、存儲(chǔ)、放大和順序讀出；探測(cè)器芯片與讀出電路芯片采用銦柱倒裝焊接結(jié)構(gòu)互連，實(shí)現(xiàn)探測(cè)器電信號(hào)輸出與讀出電路電子學(xué)輸入的連通；封裝結(jié)構(gòu)采用大尺寸冷箱，前端帶有紅外窗片，內(nèi)部安裝組合濾光片以限定所需波段紅外光譜，實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器的波段響應(yīng)特性；冷箱結(jié)構(gòu)通過(guò)適配制冷機(jī)進(jìn)行耦合工作，形成探測(cè)器制冷機(jī)組件。

圖1 紅外探測(cè)器譜段集成示意

2 多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件研制

在總體設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，研究組首次提出了單邊電子學(xué)引出、非原位注入互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了讀出電路多譜段集成設(shè)計(jì)難題；針對(duì)4譜段集成信號(hào)處理的串?dāng)_問(wèn)題，提出的版圖布線隔離及低寄生效應(yīng)版圖設(shè)計(jì)，降低了寄生負(fù)載及電路間串?dāng)_，最終實(shí)現(xiàn)輸出總線負(fù)載電容2.7pF，讀出電路譜段內(nèi)奇偶像元輸出差異小于8mV。

針對(duì)雙碲鎘汞芯片共片互連在同一個(gè)讀出電路上的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了多芯片灌膠減薄技術(shù)，獲得了溢膠均勻的探測(cè)器混成芯片。同時(shí)，針對(duì)長(zhǎng)波12.5μm器件開(kāi)發(fā)襯底減薄工藝，保證了12.5μm長(zhǎng)波探測(cè)器性能，長(zhǎng)波12.5μm器件平均峰值探測(cè)率達(dá)到8.5×1010cm·Hz1/2·W–1，探測(cè)器組件完成了300次開(kāi)關(guān)機(jī)可靠性壽命試驗(yàn)，性能穩(wěn)定。

探測(cè)器譜段間最小間距640μm，且探測(cè)器混成芯片全部為背減薄芯片，不能直接進(jìn)行像元配準(zhǔn)，為保證譜段間光譜響應(yīng)信號(hào)互不干擾，根據(jù)每個(gè)譜段器件光譜響應(yīng)，對(duì)濾光片帶外截止進(jìn)行了匹配性設(shè)計(jì)，同時(shí)設(shè)計(jì)特殊對(duì)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)，從而保證每個(gè)譜段濾光片與器件精密配準(zhǔn)。

基于該組件研制的GF-5衛(wèi)星全譜段光譜成像儀，是我國(guó)第二代推掃型多光譜成像儀（首臺(tái)），紅外空間分辨率達(dá)到40m，短波絕對(duì)輻射定標(biāo)精度達(dá)5%，中波、長(zhǎng)波達(dá)到1.0K，將滿足我國(guó)在環(huán)保、國(guó)土資源、氣象、農(nóng)業(yè)、減災(zāi)等領(lǐng)域中的遙感應(yīng)用。圖2為紅外探測(cè)器組件實(shí)物，圖3為短波2譜段（SW2）成像儀地面成像。

圖2 紅外探測(cè)器組件實(shí)物

圖3 短波2譜段（SW2）成像儀地面成像

3 多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件地面驗(yàn)證

通過(guò)分析研究在軌工作任務(wù)剖面，結(jié)合紅外探測(cè)器的工作特點(diǎn)和可能的失效模式，制定了地面壽命試驗(yàn)方案，研究組進(jìn)行了探測(cè)器混成芯片電離總劑量輻照和長(zhǎng)波探測(cè)器組件表開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn)。電離總劑量輻照試驗(yàn)要求產(chǎn)品正常加電工作，用示波器監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的輸出波形，劑量率≤5 Rad (Si)/s，總劑量不小于5×104Rad (Si)；開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn)要求低溫60±5K到室溫沖擊300次，試驗(yàn)剖面如圖4。

圖4 探測(cè)器組件開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn)剖面

電離總劑量輻照試驗(yàn)選用了3只短中波探測(cè)器混成芯片和3只長(zhǎng)波探測(cè)器混成芯片，完成了電離總劑量輻照試驗(yàn)和試驗(yàn)后器件性能測(cè)試；選用1臺(tái)全譜段光譜成像儀長(zhǎng)波紅外探測(cè)器組件開(kāi)展了開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn)，受試產(chǎn)品完成300次開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn)。

結(jié)果表明，紅外探測(cè)器組件在試驗(yàn)前后性能穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果如表1~3所示。

表1 電離總劑量輻照試驗(yàn)前后短中波混成芯片試驗(yàn)前后性能測(cè)試對(duì)比

Tab.1 Performance comparison of short and medium wave hybrid chips before and after ionizing total dose irradiation test

表2 電離總劑量輻照試驗(yàn)前后長(zhǎng)波混成芯片試驗(yàn)前后性能測(cè)試對(duì)比

Tab.2 Performance comparison before and after ionizing total dose irradiation test

表3 開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn)過(guò)程中受試產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果

Tab.3 Performance test results of the tested products during the lifetime test of switchgear

4 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)家重大科技專項(xiàng)的支持下，依據(jù)GF-5衛(wèi)星全譜段光譜成像儀應(yīng)用要求，創(chuàng)新性地開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件技術(shù)”，引領(lǐng)了我國(guó)多譜段集成紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，并首次在國(guó)內(nèi)研制出4譜段集成紅外探測(cè)器組件產(chǎn)品，完成了地面性能測(cè)試、環(huán)境適應(yīng)性及可靠性等試驗(yàn)，組件產(chǎn)品表現(xiàn)出良好的性能和可靠性。

在國(guó)家重大科技專項(xiàng)的支持和GF-5衛(wèi)星型號(hào)任務(wù)的牽引下，華北光電技術(shù)研究所形成了完整的多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件研制平臺(tái)，為后續(xù)開(kāi)展多譜段集成TDI線列紅外探測(cè)器組件的研制奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] PEASE C B. Satellite Imaging Instruments[M]. England: Ellis Horwood Limited, 1991.

[2] RIENSTRA J, BALLARD M. Multispectral Focal Plane Assembly for Satellite Remote Sensing[C]// 1998 Institute of Electrical and Electronics Engineers Aerospace Conference, New Mexico, 1998.

[3] DAHLIN M J, O'ROURKE E J. Advanced Focal Plane Array Systems for Next-generation Scanning Remote Sensing Instrument[J]. Proc. of SPIE, 2003, 4820: 406-417.

[4] 王成剛, 劉澤巍, 袁媛, 等. 多譜段線列紅外探測(cè)器讀出電路設(shè)計(jì)優(yōu)化[J]. 激光與紅外, 2017, 47(6): 736-739. WANG Chenggang, LIU Zewei, YUAN Yuan, et al. Optimization and Design of ROIC for Multispectral Linear Infrared Detector Array[J]. Laser & Infrared, 2017, 47(6): 736-739.(in Chinese)

Development of Multispectral TDI Linear Infrared Detector for GF-5 Satellite

WANG Chenggang DONG Haijie LIU Zewei XIE Heng LI Dongbing YU Songlin

（North China Research Institute of Electro-optics, Beijing 100015, China）

The multispectral linear TDI infrared detector array is one of the core detectors for the full-spectral-band imaging spectrometer of GF-5 satellite. In order to meet the application requirements, we developed “multispectral linear TDI infrared detector array technology” innovatively with self-owned intellectual property rights. This is the leading technology in the multispectral integrating infrared detector in China. The SW-MW multispectral integrating infrared detector and LW multispectral integrating infrared detector have 4 spectral-bandwidths respectively, covering the spectral band from 1.55μm to 12.5μm. According to the working profile of the spectrometer on orbit, we have verified the lifetime of 8 years by tests on ground. Test results show that the performances, the environmental adaptability and reliability can meet the requirements of the satellite.

multispectral; time delayed and integration charge-coupled device; infrared detector; GF-5 satellite

TP732.2

A

1009-8518(2018)03-0080-05

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.009

王成剛，男，1977年生，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事紅外焦平面技術(shù)研究。E-mail：wcgzxy77@126.com。

2018-04-16

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

（編輯：陳艷霞）