航天遙感紅外探測器需求與發(fā)展

孫啟揚,柴瑞青,謝圣文,謝莉莉,樊 奔,陳瑞明

(北京空間機電研究所,北京100094)

1 引 言

航天紅外遙感技術(shù)是指利用空間平臺(衛(wèi)星、空間站等)搭載的紅外遙感載荷獲取目標信息的技術(shù)。隨著應(yīng)用需求和技術(shù)的發(fā)展,航天紅外遙感載荷的功能已逐漸豐富,載荷可分為成像類、探測類和光譜類。成像類載荷主要獲取高分辨率的紅外圖像,典型應(yīng)用為商業(yè)遙感和軍事偵查等;探測類載荷主要實現(xiàn)對特定目標或者事件的探測,典型應(yīng)用為導彈預警和小行星探測等;光譜類載荷通過對目標的光譜進行高精度定量化探測和反演來實現(xiàn)對目標的識別和分析,典型應(yīng)用為資源探測、大氣成分探測和系外天體探測等。

2 航天遙感紅外探測器關(guān)鍵指標

紅外遙感載荷的諸多關(guān)鍵指標均受限于紅外探測器的性能指標,如載荷的幅寬、分辨率、調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)和光譜分辨率等。其中,紅外探測器的像元規(guī)模、MTF、信噪比、有效像元率和像元一致性是核心指標。

2.1 像元規(guī)模

遙感載荷的地面分辨率(GSD)通常定義為地面上可分辨目標的最小間距,在不考慮信噪比和MTF的情況下,遙感載荷的地面分辨率可簡化為如下公式:

(1)

其中,Pitch為探測器像元中心距;f為光學系統(tǒng)焦距;H為軌道高度。凝視型載荷通常選用面陣探測器,其二維幅寬即為面陣探測器像元規(guī)模(M×N)與分辨率的乘積。掃描型載荷通常選用線列探測器,其幅寬即為線列探測器像元規(guī)模(L)與分辨率的乘積。

2.2 調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)

紅外遙感載荷的光學調(diào)制傳遞函數(shù)由光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)(MTFop)和探測器調(diào)制傳遞函數(shù)(MTFdet)等共同決定。MTFop的空間截止頻率為艾利斑直徑,即dAiry=2.44Fλ;MTFdet的空間截止頻率受限于探測器的像元間距d。當Fλ/d>2時,艾利斑直徑超出了探測器尺寸的5倍,進入光學系統(tǒng)衍射限制區(qū);當Fλ/d<0.41時,探測器采樣間隔大于艾利斑直徑,進入探測器限制區(qū)。

除受光學能量限制外,紅外探測器像元間的光生載流子的串擾、讀出電路帶來的像元間輸出信號的串擾等因素會導致MTFdet的進一步降低;對于線列型紅外探測器,幀間的串擾也會導致掃描方向的MTFdet的降低,這些都是紅外探測器在設(shè)計研制中需要著重考慮的[1]。

2.3 信噪比(SNR)

對于成像類載荷,MTF和SNR的乘積共同決定了載荷的圖像質(zhì)量[2],MTF決定了紅外遙感載荷在空間維度的細節(jié)分辨能力,而信噪比決定了載荷在輻亮度、溫度等探測量的細節(jié)分辨能力。紅外遙感載荷的信噪比,主要由光學系統(tǒng)和紅外探測器決定,光學系統(tǒng)主要通過增加口徑、降低內(nèi)雜散輻射、提升透過率等手段來獲得更高的系統(tǒng)信噪比;對于紅外探測器而言,需要結(jié)合載荷的具體使用工況條件,合理分配探測器的量子效率、暗電流和噪聲等指標,以滿足系統(tǒng)需要的信噪比要求。

載荷使用的工況條件主要包括:目標及背景輻射特性、光學系統(tǒng)口徑和F數(shù)、載荷光機內(nèi)輻射特性、探測器工作溫度、載荷與目標的相對運動特性等。這些為紅外探測器的探測譜段范圍、目標與背景的光通量、積分時間和噪聲帶寬等限定了條件。

2.4 有效像元率

無效像元主要包括盲元和閃元。盲元包括死像元(響應(yīng)率過低)和過熱像元(噪聲過高),像元的信噪比無法滿足使用要求,因此為無效像元,成因包括材料缺陷、器件工藝損傷和互連失效等,常常成簇出現(xiàn)。閃元主要是指響應(yīng)率或暗電流隨時間變化超出穩(wěn)定閾值的像元,目前尚未形成統(tǒng)一的測試方法和判據(jù),美國HRL實驗室采用的測試方法是連續(xù)采集600幀圖像,采用時間滑窗方法(每個窗口10幀)來逐一計算每個像元的輸出信號標準差,如果最大標準差>4倍的平均標準差,則該元被判定為閃元[3],閃元主要由像元內(nèi)的低頻噪聲引起,造成低頻噪聲的因素有很多,器件的表面漏電是重要因素之一[4]。閃元會導致像元輸出在時域上的不穩(wěn)定,對于點目標探測類載荷,會造成虛警,提高了圖像處理的難度。

2.5 像元一致性

像元一致性指的是探測器在相同相面照度下,輸出信號的一致性,這其中包括像元的響應(yīng)率一致性和暗電流一致性。像元的不一致性主要由光敏元材料的缺陷和不均勻,焦平面工藝過程中的摻雜、注入、刻蝕損傷等工藝過程的不均勻造成。不一致性雖然可以通過兩點法來校正,但是需要星上定標機構(gòu)來輔助實現(xiàn);對于數(shù)據(jù)量大或者實時性要求高的高光譜和預警應(yīng)用,不一致性會給圖像處理帶來很大的壓力,比如星上實時處理、星上數(shù)據(jù)壓縮等;此外,不一致性還會降低探測器整體的有效動態(tài)范圍。

3 航天遙感紅外探測器需求類型及發(fā)展現(xiàn)狀

盡管紅外探測器技術(shù)在不斷地進步,至今未能出現(xiàn)一款探測器能夠覆蓋所有的紅外遙感需求,一方面因為現(xiàn)今遙感載荷對于紅外探測器的指標需求已經(jīng)接近了理論的極限,另一方面是因為紅外探測器的指標是一個統(tǒng)籌均衡的結(jié)果,為追求某些性能,往往要犧牲部分性能,如高靈敏度與高滿阱,高幀頻與低噪聲,大像元規(guī)模與高像元一致性等指標,在提需求時往往需要進行取舍。由于不同種類載荷關(guān)注的性能側(cè)重點不同,航天遙感紅外探測器也逐漸分化成為不同的種類。

3.1 成像探測類紅外探測器

成像類載荷和探測類載荷的區(qū)別在于,前者主要是對地物成像;而后者主要實現(xiàn)對點目標(如導彈、飛行器和小行星等)的發(fā)現(xiàn)、跟蹤和識別,探測背景包括地球背景和空間背景。在需求紅外探測器特點上,二者共性居多,該類型紅外探測器根據(jù)像元規(guī)?？煞譃槊骊囂綔y器和線列探測器,面陣探測器主要應(yīng)用于凝視型載荷,線列探測器主要應(yīng)用于掃描型載荷。在保證幅寬的前提下,隨著分辨率指標的提升,對紅外探測器像元規(guī)模的要求越來越大。

3.1.1 面陣紅外探測器

在材料體系上,目前宇航應(yīng)用的面陣紅外探測器主要為碲鎘汞和銻化銦。2008年,美國L3采用銻化銦材料體系,研制成功了4 k×4 k規(guī)模15 μm像元中心距的紅外探測器[5];2016年,美國RVS報道其成功研制了8 cm×8 cm的碲鋅鎘基碲鎘汞材料,還掌握了在6英寸硅襯底上通過分子束外延生長碲鎘汞材料的技術(shù),并采用該技術(shù)研制成功4 k×4 k規(guī)模20 μm像元中心距的紅外探測器[6];同年,美國Teledyne報道其已經(jīng)實現(xiàn)7 cm×7 cm的碲鋅鎘襯底的量產(chǎn),且完成了8 cm×8 cm的碲鋅鎘基碲鎘汞材料研制[7];2018年,法國Lynred報道將于年底完成2 k×2 k規(guī)模15 μm像元中心距的紅外探測器[8];2018年,華北光電技術(shù)研究所公開報道其在國內(nèi)首次實現(xiàn)了短、中波2.7 k×2.7 k規(guī)模紅外探測器研制;2020年,昆明物理研究所報道其實現(xiàn)了2 k×2 k規(guī)模短波和中波紅外探測器的研制[9]。此外,Ⅱ類超晶格紅外探測器技術(shù)顯現(xiàn)出其在大面陣器件研制上的優(yōu)勢,2011年美國啟動了以NASA-JPL領(lǐng)銜的“VISTA”計劃,加速推進軍用Ⅱ類超晶格紅外探測器的發(fā)展,項目歷時5年,在美國業(yè)界形成Ⅱ類超晶格紅外探測器產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,研制出了一批地面、航空、宇航應(yīng)用的新一代紅外探測器,體現(xiàn)了該技術(shù)像元規(guī)模大、均勻性好、穩(wěn)定性好和成本低的優(yōu)勢,取得了巨大的成功,美國Raytheon作為參與者推出了兩款大面陣器件,分別為2 k×2 k和4 k×4 k規(guī)模10 μm像元中心距的高溫工作中波紅外探測器[10]。

1990年發(fā)射的哈勃望遠鏡,采用的是美國Teledyne研制的1 k×1 k碲鎘汞紅外探測器;2021年發(fā)射的詹姆斯韋伯空間望遠鏡,采用了美國Teledyne的H2RG紅外探測器模塊[11];2018年,NASA向美國Teledyne定制了72個短中波H4RG-10模塊,用于羅曼太空望遠鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope)項目,研制周期29個月;2016年,我國首顆地球同步軌道高分辨率對地觀測衛(wèi)星高分四號正式投入使用,搭載了北京空間機電研究所研制的我國首臺配置大面陣紅外探測器的光學遙感載荷,相機采用了1 k×1 k中波紅外探測器組件,組件由華北光電技術(shù)研究所研制,是我國百萬像素紅外探測器的首次宇航應(yīng)用[12]。

3.1.2 線列紅外探測器

線列紅外探測器是宇航應(yīng)用中較有特色的一種探測器,主要應(yīng)用于掃描(推掃、擺掃、環(huán)掃等)成像,其工作原理為在掃描過程中內(nèi)通過對不同時刻的瞬時視場進行連續(xù)采樣,多行圖像拼接獲得掃描區(qū)域的圖像信息,代表應(yīng)用有太陽同步軌道對地推掃成像和大橢圓軌道掃描預警應(yīng)用。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括時間延遲積分(TDI)和多譜段集成技術(shù)。

1)時間延遲積分(TDI)技術(shù)

TDI技術(shù)可以解決衛(wèi)星在瞬時視場駐留時間不足導致的信噪比較低的問題,從而提高載荷的信噪比和掃描方向空間分辨率。德國AIM為宇航應(yīng)用研制了一款中波線列紅外探測器,探測譜段為3～5 μm,像元規(guī)模為1200×8,在低照度工作模式下采用CTIA輸入級,7級TDI來提高探測信噪比;在高照度工作模式下采用DI輸入級1元積分[13]。

2)多譜段集成技術(shù)

多譜段集成技術(shù)通過在一個焦面上集成多個譜段的線列探測器,從而在一次探測中獲得同一目標的多個譜段信息[14]。2013年發(fā)射的美國Landsat-8衛(wèi)星搭載的OLI-2陸地成像儀,其上搭載了可見短波多譜段紅外探測器,探測器芯片通過在一片讀出電路上互連兩種不同材料像元實現(xiàn),可見光探測器采用6譜段Si:PIN陣列,近紅外探測器采用3譜段碲鎘汞陣列[15];2018年發(fā)射的高分五號衛(wèi)星搭載了北京空間機電研究所研制的全譜段光譜成像儀,成像儀的探測譜段范圍達到0.45～12.5 μm,其中,短中波和長波紅外探測器組件由華北光電技術(shù)研究所研制,采用了多譜段集成技術(shù)分別實現(xiàn)了短中波4譜段和長波4譜段的線列TDI探測器的集成,芯片上方安裝組合濾光片以實現(xiàn)譜段劃分[16],引領(lǐng)了我國多譜段集成紅外探測技術(shù)的發(fā)展。

3.1.3 紅外探測器拼接組件

當單片探測器的像元規(guī)模仍無法滿足載荷需求時,探測器拼接是解決該問題最經(jīng)濟有效的手段。

面陣拼接紅外探測器主要應(yīng)用于空間天文望遠鏡,如NASA正在研制的羅曼太空望遠鏡(Nancy Grace Roman Space Telescope),其探測器組件采用18個美國Teledyne的H4RG-10模塊6×3拼接而成,像元規(guī)模超過3億,是哈勃望遠鏡的300倍[17];2006年,美國Teledyne報道了其為MPF計劃(Microlensing Planet Finder)研制了一款拼接探測器組件(圖1),采用35個H2RG模塊拼接而成,像元規(guī)模達到1.47 億,低溫面型共面度為33.8 μm@140 K,焦面溫度均勻性優(yōu)于1 K[18]。

圖1 MPF的大面陣拼接紅外探測器組件

線列拼接紅外探測器主要應(yīng)用于低軌高分辨率成像載荷和多光譜成像載荷,如2013年發(fā)射的美國Landsat-8衛(wèi)星,其搭載的OLI(Operational Land Imager)載荷采用的紅外探測器組件由14個拼接模塊拼接而成,短波紅外譜段6518元,可實現(xiàn)185 km幅寬,30 m分辨率[15];2017年發(fā)射的法國Sentinel-2B衛(wèi)星,其搭載的多光譜相機采用了12個短波3譜段紅外探測器模塊拼接(圖2),線列規(guī)模達到14550元,可實現(xiàn)291 km幅寬,20 m分辨率[19]。

圖2 Sentinel-2B的線列拼接紅外探測器組件

部分超大規(guī)模探測器組件采用無杜瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計,這給紅外探測器組件的地面測試及驗證帶來困難。美國Teledyne為Hawaii系列紅外探測器研制的真空測試系統(tǒng),可以為組件提供冷平臺、電學引出和光學窗口,可支持單芯片和2×2拼接組件的測試,冷平臺變溫范圍60～200 K,控溫精度達到0.001 K;法國CEA研制的真空低溫測試系統(tǒng),主要應(yīng)用于低背景紅外探測器測試,其冷屏溫度可以達到4～10 K,控溫穩(wěn)定度達到1.7 mK[20]。北京空間機電研究所研制的紅外探測器測試系統(tǒng)(圖3),最大可以支持20 k規(guī)模線列和16 k×16 k規(guī)模面陣拼接組件的測試,提供外部入射光窗和內(nèi)置低溫黑體,冷平臺變溫范圍40～100 K,控溫精度達到0.01 K。

圖3 北京空間機電研究所研制的紅外探測器測試系統(tǒng)

3.2 光譜類器件

成像應(yīng)用載荷一般具有較寬的探測譜段,通常為微米級,常見的有單光譜和多光譜探測,主要通過在探測器前設(shè)置濾光片或者濾光輪來實現(xiàn)譜段配置。高光譜載荷相比于成像應(yīng)用的載荷,具有更高的光譜分辨率,不僅可以對目標的幾何信息進行采集,還可以實現(xiàn)對目標的高精度定量化光譜探測,主要可以分為干涉型光譜儀、衍射型光譜儀和濾光片型光譜儀[21],空間高光譜載荷技術(shù)在近十年快速發(fā)展,應(yīng)用領(lǐng)域從最初的軍事國防擴展到科學研究、地質(zhì)、林業(yè)、農(nóng)業(yè)、大氣、海洋、深空探測等多個領(lǐng)域[22]。需求的紅外探測器種類也逐漸增多,且個性化較強,主要有大像元寬譜段探測器和面陣高幀頻探測器。

3.2.1 大像元寬譜段探測器

在高光譜分辨率的探測應(yīng)用中,通常光譜分辨率達到幾十到幾百納米,譜段的細分使得相同條件下入射光通量的降低,為保證足夠的探測信噪比,需要探測器有更大的像元尺寸,從幾十微米到幾百微米不等;此外,還要求探測器在較寬的譜段范圍(微米級)內(nèi)都有較高的量子效率、線性度和像元一致性,以獲得目標的寬譜段范圍內(nèi)的高光譜信息。

2017年發(fā)射的日本GCOM-C(Global Change Observation Mission-Climate)衛(wèi)星上的紅外載荷SGLI(Second generation Global Imager)采用法國Lynred研制的紅外探測器,該探測器有兩個探測譜段,截止波長分別為12.5 μm和13.4 μm,譜段帶寬為0.7 μm,工作溫度55 K。為了達到2500和2350的信噪比,兩個譜段均采用了5×5的binning來實現(xiàn)140×140 μm的像元尺寸,binning后每譜段各有20×2個像元[23]。

美國的CrIS(Cross-Track Infrared Sounder)為一臺傅里葉紅外光譜儀,用于大氣溫度、水汽和氣壓的垂直探測,于2011年首次搭載Suomi NPP(Suomi National Polar-orbiting Partnership)衛(wèi)星發(fā)射,之后又搭載JPSS(Joint Polar Satellite System)衛(wèi)星的01星(2017年發(fā)射)和02星。CrIS采用了美國DRS研制的三個紅外探測器組件(圖4),分別為短波(3.92～4.64 μm)、中波(5.71～8.26 μm)和長波(9.13～15.38 μm)組件,每個探測器組件由3×3個直徑850 μm左右的像元組成,在系統(tǒng)要求的響應(yīng)譜段內(nèi)均有優(yōu)異的性能[24]。

(a)紅外探測器模塊實物

3.2.2 高幀頻面陣探測器

光譜成像儀兼顧較高的光譜分辨率和幾何分辨率,通常采用面陣探測器進行推掃成像,探測器陣列的兩個維度分別作為幾何維和光譜維。該使用方式要求探測器具有全局曝光功能,以保證一次曝光所獲取的光譜信息對應(yīng)同一景物;此外,還要求有足夠高的幀頻,滿足推掃方向的成像分辨率要求。

自2000年起,為滿足光譜成像儀應(yīng)用,法國Lynred研制了一系列高幀頻面陣器件,主要有Neptune(512×256)、Saturn(1024×256)和NGP(1024×1024),該系列紅外探測器根據(jù)用戶需求,探測譜段可覆蓋可見近紅外、短波和中波,經(jīng)歷了大量的宇航應(yīng)用,并且有諸多背景應(yīng)用產(chǎn)品在研[8]。2014年12月,日本深空探測器“隼鳥2號”(HAYABUSA-2)發(fā)射升空,其搭載的紅外高光譜成像儀MicrOmega采用了Neptune探測器[25],對近地小行星“龍宮”的表面物質(zhì)成分進行探測,譜段范圍0.95～3.65 μm,光譜分辨率20 cm-1。

德國AIM也有相關(guān)產(chǎn)品報道,計劃于2022年發(fā)射的德國EnMAP(Environment Mapping and Analysis Program)衛(wèi)星,主要用于對農(nóng)林、土壤、水體、地質(zhì)和海岸帶進行測量、反演和分析[26],可實現(xiàn)可見短波譜段230個通道的光譜探測,地面分辨率達到30 m,采用了德國AIM研制的1024×256高光譜探測器,該探測器譜段范圍0.9～2.5 μm,采用CTIA輸入級,光譜維的256行增益獨立可調(diào)(0.45 Me-/1.6 Me-),可行選讀出,全幅最大幀頻188 Hz[13]。

3.3 天文探測類紅外探測器

天文探測類紅外探測器主要應(yīng)用于太陽系外天體探測和近地小行星探測,前者主要任務(wù)為通過尋找和觀測天體,理解宇宙起源,代表載荷為哈勃望遠鏡和詹姆斯韋伯望遠鏡等;后者主要為對近地威脅小行星進行探測和預警。與對地探測任務(wù)不同,該類型探測任務(wù)的特點為極弱背景下的弱目標探測,連續(xù)觀測時間長,單幀積分時間達到分鐘級。該類型載荷主要工作譜段覆蓋從可見光到遠紅外,要求探測器有極高的量子效率、極低的暗電流、極低的讀出噪聲、極低的工作溫度和極高的穩(wěn)定性,此外,空間天文望遠鏡往往需要大面陣的拼接,對探測器的規(guī)模、有效像元率和均勻性也有較高的要求。

該類型探測器在光敏元材料體系上,主要有碲鎘汞、銻化銦以及非本征硅和鍺。碲鎘汞的應(yīng)用最為廣泛,主要應(yīng)用于可見光到短中波譜段的探測,主要的研制廠商為美國Raytheon、Teledyne和法國Lynred。其中,最著名的是Teledyne的Hawaii系列產(chǎn)品,其采用的是碲鎘汞P-on-N雙層平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),其峰值量子效率達到0.9以上,H4RG-15的暗電流可以達到0.001 e-/s@11 K;此外,Teledyne報道其10.7 μm截止波長碲鎘汞探測器暗電流可以達到0.11 e-/s@35 K,代表了國際領(lǐng)先水平[7]。

天文探測常選用遠紅外譜段,目前主要采用硅摻雜和鍺摻雜探測器。硅和鍺可以通過摻雜來減小禁帶寬度,實現(xiàn)遠紅外探測,該類型探測器必須工作在10 K以下溫區(qū),硅摻雜探測器可響應(yīng)到30 μm截止波長,鍺摻雜探測器可響應(yīng)到500 μm截止波長附近。美國的Spizer望遠鏡(2003年發(fā)射)、WISE望遠鏡(2009年發(fā)射)均搭載了該類探測器,目前國際上的主要研制廠商為美國Raytheon、DRS和Teledyne。詹姆斯韋伯望遠鏡采用的是美國Raytheon研制的1024×1024 Si:As BIB探測器,截止波長26 μm,暗電流<0.1 e-/s@7.1 K[27](圖5)。

圖5 JWST采用的1 k×1 k Si:As非本征探測器

面向天文探測應(yīng)用,美國Raytheon研制了一系列InSb紅外探測器,代表產(chǎn)品為Aladdin(1 k×1 k)和Orion(2 k×2 k)。Orion探測器應(yīng)用于NGST(Next Generation Space Telescope)近紅外(0.6～5 μm)載荷,量子效率達到0.9,暗電流達到0.02 e-/s@30 K[28]。

4 結(jié) 語

航天遙感紅外探測器種類豐富、技術(shù)指標要求高,一直以來都代表著紅外探測器的最高水平。未來的航天紅外遙感載荷的發(fā)展趨勢,一類向著更高的尖端技術(shù)繼續(xù)攀登,如詹姆斯韋伯望遠鏡等,去探索人類未知的奧秘,繼續(xù)牽引紅外探測器挑戰(zhàn)更低的背景限;另一類向著低成本商業(yè)化發(fā)展,如星鏈等低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),未來對于更低成本的紅外探測器的需求將日益旺盛,Ⅱ類超晶格紅外探測器等新技術(shù)也將在未來的宇航應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。