多譜段集成長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器研究進(jìn)展

孟令偉,東海杰,張 懿

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

在地球資源探測(cè)領(lǐng)域,紅外多光譜掃描儀是獲得信息的有效載荷,而常規(guī)的紅外多光譜掃描儀需要多個(gè)譜段的紅外探測(cè)器組件,因此,增大了紅外掃描儀載荷系統(tǒng)體積、重量。隨著紅外探測(cè)器技術(shù)的成熟,采用在紅外探測(cè)器內(nèi)部多譜段集成方法,可以大大減少載荷體積重量,降低光學(xué)設(shè)計(jì)難度,同時(shí),由于集成了低溫光學(xué)零件,降低了背景輻射,探測(cè)器性能也到了提升,能夠更好的滿足紅外光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

多譜段集成紅外探測(cè)器具有光譜覆蓋范圍寬,可覆蓋短波、中波、長(zhǎng)波紅外譜段、集成譜段數(shù)多、每個(gè)譜段寬帶可選等優(yōu)勢(shì)。多譜段集成紅外探測(cè)器已廣泛應(yīng)用到衛(wèi)星遙感載荷,在生態(tài)環(huán)境檢測(cè)、土壤質(zhì)量評(píng)價(jià),農(nóng)作物分類與估產(chǎn)、海洋資源與生態(tài)監(jiān)測(cè)、地球資源開(kāi)發(fā)利用發(fā)揮重要作用。

多譜段集成長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器利用多通道組合濾光片對(duì)探測(cè)器芯片光譜細(xì)分,光譜方向與飛行器飛行方向一致,從而實(shí)現(xiàn)二維幾何成像和光譜信息的同時(shí)獲得。多譜段集成紅外探測(cè)器工作示意如圖1所示。

圖1 多譜段集成紅外探測(cè)器工作示意

2 國(guó)外多譜段集成長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

多譜段集成紅外探測(cè)器作為多譜段紅外光譜掃描儀的核心部件,資料報(bào)道美國(guó)、法國(guó)等紅外探測(cè)器技術(shù)先進(jìn)國(guó)家都已經(jīng)進(jìn)行了二十余年的研究。取得了很大進(jìn)展,并已成功應(yīng)用于航天民用遙感和軍事領(lǐng)域。

2.1 美國(guó)Raytheon Vision Systems公司多譜段集成長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器

2.1.1 MTI紅外探測(cè)器組件

1999年,資料報(bào)道美國(guó)Raytheon公司研制了多光譜成像儀紅外探測(cè)器組件(The focal plane assembly for the Multispectral Thermal Imager)[1],探測(cè)器組件光譜覆蓋范圍0.45～10.7 μm,可見(jiàn)光4個(gè)譜段、近紅外3個(gè)譜段、短波3個(gè)譜段、中波2個(gè)譜段、長(zhǎng)波3個(gè)譜段共15個(gè)譜段(如圖2所示)。探測(cè)器分別采用硅、銻化銦和碲鎘汞三種材料制備。可見(jiàn)光和近紅外探測(cè)器每譜段陣列規(guī)模為2400×1元,銻化銦和碲鎘汞探測(cè)器探測(cè)器陣列規(guī)模均為621×1元,采用多通道濾光片進(jìn)行分光。探測(cè)器譜段如表1所示,組件圖如圖2所示,探測(cè)器組件性能如表2所示。

表1 MTI成像器紅外探測(cè)器組件光譜分布

圖2 MTI 紅外探測(cè)器部件及探測(cè)器組件圖

表2 探測(cè)器組件性能

2.1.2 EO-1/ALI探測(cè)器

美國(guó)Raytheon公司為NASA′s Earth Observing-1/Advanced Land Imager(EO-1/ALI)研制了多譜段焦平面探測(cè)器[2],1997年研制的MS/PAN FPS探測(cè)器,2002年交付WFOV FPS探測(cè)器,WFOV FPS探測(cè)器陣列由5個(gè)單模塊拼接而成,探測(cè)器集成10個(gè)譜段,從可見(jiàn)光到紅外短波譜段,可見(jiàn)光使用SiPIN探測(cè)器,紅外短波譜段探測(cè)器采用碲鎘汞材料制備,紅外短波譜段探測(cè)器陣列規(guī)模25600×1元,探測(cè)器譜段分布如表3所示。EO-1/ALI探測(cè)器如圖3所示。

表3 EO-1/ALI探測(cè)器光譜分布

圖3 EO-1/ALI探測(cè)器

2.2 法國(guó)Sofradir公司研制多譜段集成長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器

2.2.1 PRISM長(zhǎng)波雙譜段探測(cè)器

法國(guó)為歐洲宇航局研制了PRISM長(zhǎng)波雙譜段探測(cè)器[3],探測(cè)器集成2個(gè)譜段,每譜段陣列規(guī)模1000×1元,波長(zhǎng)覆蓋范圍10.3～12.3 μm。探測(cè)器由6～10個(gè)碲鎘汞光伏器件模塊拼接而成,讀出電路采用硅CCD讀出。探測(cè)器模塊拼接如圖4所示,長(zhǎng)波雙譜段探測(cè)器性能如表4所示。

圖4 探測(cè)器拼接示意圖

表4 PRISM長(zhǎng)波雙譜段探測(cè)器性能

2.2.2 GMES/Sentinel-2探測(cè)器

在GMES(European Global Monitoring for Environment and Security)計(jì)劃和Sentinel-2任務(wù)支撐下,Sofradir公司研制了短波多譜段探測(cè)器[4]。探測(cè)器由12個(gè)探測(cè)器子模塊拼接而成,每個(gè)模塊集成3個(gè)譜段(B10、B11、B12),探測(cè)器譜段和像元數(shù)如表5所示,探測(cè)器單模塊像元排布如圖5所示,圖6為單模塊探測(cè)器封裝圖,圖7為多譜段探測(cè)器拼接裝配圖,短波多譜段探測(cè)器性能如表6所示。

圖5 探測(cè)器單模塊像元排布

圖6 單模塊探測(cè)器封裝

圖7 多譜段探測(cè)器拼接裝配圖

表5 探測(cè)器譜段和像元數(shù)

表6 短波多譜段探測(cè)器性能

3 國(guó)內(nèi)多譜段集成探測(cè)器研制情況

在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)高端紅外探測(cè)器組件實(shí)行嚴(yán)密技術(shù)封鎖的情況下,通過(guò)國(guó)家的大力支持,華北光電技術(shù)研究所、上海技術(shù)物理研究所、昆明物理研究所等單位重點(diǎn)進(jìn)行了中波、長(zhǎng)波、短波碲鎘汞探測(cè)器組件的技術(shù)攻關(guān),極大推進(jìn)了我國(guó)碲鎘汞紅外探測(cè)器組件的技術(shù)進(jìn)步[5]。在多譜段集成紅外探測(cè)器技術(shù)研究方面,上海技術(shù)物理所和華北光電技術(shù)研究所均有相關(guān)報(bào)道。

3.1 上海技術(shù)物理研究所長(zhǎng)波雙譜段探測(cè)器

上海技術(shù)物理研究所報(bào)道了1款長(zhǎng)波12.5 μm長(zhǎng)線列碲鎘汞焦平面杜瓦組件[6]:256×2碲鎘汞焦平面模塊由2個(gè)256×1元芯片和2個(gè)光伏信號(hào)硅讀出電路模塊平行對(duì)稱組成,并分別與2個(gè)不同波段的微型濾光片以架橋式結(jié)構(gòu)直接耦合后封裝在全金屬微型杜瓦內(nèi),形成了長(zhǎng)波256×2長(zhǎng)線列碲鎘汞紅外探測(cè)器件組件。光敏元陣列布局與倒裝焊如圖8所示,探測(cè)器主要性能如表7所示。

(a)光敏元陣列布局

(b)倒裝焊示意圖

表7 探測(cè)器主要性能

3.2 華北光電技術(shù)研究所多譜段探測(cè)器研究狀態(tài)

華北光電技術(shù)研究所開(kāi)展多譜段長(zhǎng)線列探測(cè)器技術(shù)研究近十年,多譜段長(zhǎng)線列探測(cè)器已應(yīng)用與GF-5號(hào)衛(wèi)星全譜段光譜成像儀。

探測(cè)器工作模式為T(mén)DI型線列,TDI線列相比單線列信噪比可提高倍。全譜段光譜成像儀紅外探測(cè)器組件共集成譜段數(shù)8個(gè),光譜覆蓋短波、中波、長(zhǎng)波、甚長(zhǎng)波譜段,采用2個(gè)杜瓦封裝,短波探測(cè)器每譜段陣列規(guī)模為3072×3元、中波、長(zhǎng)波探測(cè)器每譜段陣列規(guī)模1536×3元,探測(cè)器通過(guò)集成多通道濾光片實(shí)現(xiàn)探測(cè)器窄帶光譜響應(yīng),探測(cè)器芯片模塊及譜段排列如圖9。全譜段成像儀探測(cè)器性能參數(shù)見(jiàn)表8。

全譜段光譜成像儀探測(cè)器隨GF-5號(hào)衛(wèi)星成功發(fā)生,在軌運(yùn)行將近2年,性能穩(wěn)定,為用戶持續(xù)提供遙感數(shù)據(jù)。圖10為短波譜段地面外景成像圖,圖11為GF-5號(hào)全譜段光譜成像儀冰川冰雪監(jiān)測(cè)圖。

圖9 全譜段成像儀探測(cè)器譜段排列圖

表8 全譜段成像儀探測(cè)器性能參數(shù)

圖10 短波譜段地面外景成像圖

圖11 高分五號(hào)衛(wèi)星全譜段光譜成像儀冰川冰雪監(jiān)測(cè)圖

4 總 結(jié)

隨著空間遙感平臺(tái)技術(shù)的發(fā)展,紅外系統(tǒng)載荷需要更多的譜段、更寬的光譜覆蓋、寬的視場(chǎng)、高的空間分辨率以及高的S/N,為此,國(guó)內(nèi)多譜段集成紅外探測(cè)器技術(shù)從集成譜段數(shù),光譜覆蓋范圍、探測(cè)器陣列規(guī)模和探測(cè)靈敏度等參數(shù)還未完全滿足紅外系統(tǒng)應(yīng)用需求,還需要持續(xù)開(kāi)展技術(shù)研究。

在多通道信號(hào)輸出讀出電路設(shè)計(jì)方面,需要進(jìn)一步抑制譜段間輸出信號(hào)干擾,降低電路讀出噪聲；紅外器件研究方面,開(kāi)展甚長(zhǎng)波探測(cè)器技術(shù)研究,降低暗電流,提高探測(cè)器穩(wěn)定性；在探測(cè)器陣列規(guī)模擴(kuò)展方面,提高子模塊拼接精度,降低長(zhǎng)線列拼接探測(cè)器熱應(yīng)力,提高探測(cè)器可靠性；在譜段集成方面需要進(jìn)一步開(kāi)展多通道集成濾光片技術(shù)研究,提高濾光片光學(xué)透過(guò)率和抑制窄帶濾光片紋波深度,保證探測(cè)器高的探測(cè)靈敏度。

在國(guó)家支撐和應(yīng)用的牽引下,相信在我國(guó)紅外多譜段集成線列紅外探測(cè)器技術(shù)一定會(huì)發(fā)展的越來(lái)越好,形成自主可控的創(chuàng)新能力,研制出滿足航天工程應(yīng)用的紅外探測(cè)器產(chǎn)品。