国内高光谱红外焦平面探测器组件的研究进展

摘要：描述了国外高光谱红外焦平面探测器组件的发展状况和工程应用情况，并介绍了国内高光谱红外焦平面探测器组件的研究进展。通过分析高光谱红外焦平面探测器的性能特点，提出了高光谱红外焦平面探测器的研究重点。

0引言

与传统的单波段红外成像探测技术相比，多光谱红外成像探测技术可以获取目标不同波段的图像数据，即在传统成像的基础上获取包含二维空间、光谱和时间等四维信息的图像数据。该技术可在多个辐射波段上进行探测并将信息融合处理，然后通过综合分析目标特征来提高目标识别能力。多光谱红外探测的波段宽度一般为100 ～ 400 nm，在红外光谱区只有几个波段，且在光谱上并不连续，因此无法探测和区分出具有诊断性光谱特征的目标。

高光谱红外成像探测技术将成像技术和光谱测量技术结合在一起，是红外探测技术的一场革命。它兴起于20世纪80年代，并在90年代后形成研发热潮。该技术可在红外波段获取光谱宽度（连续）为10 nm左右的影像数据，并可采集上百个非常窄的目标光谱波段信息。其中既包含二维空间信息，又包含随波长分布的光谱辐射信息。因此，这项技术能够精确探测目标的光谱分布特征，形成所谓的“数据立方体”。由于具有“图谱合一”的特性，使本来在宽波段遥感中不可探测的物质在高光谱遥感中能被探测到，如图1所示。

图１ 高光谱红外成像特性的示意图

利用高光谱红外成像探测技术获得的目标的丰富光谱信息及空间影像极大地提高了目标检测识别能力，扩展了传统探测技术的功能，使目标探测由定性分析转为定量分析成为可能。它给光电探测技术带来了一个质的飞跃，目前已应用于多个军事和民用领域。

1国外高光谱红外探测器组件技术的发展状况

高光谱红外探测器组件是高光谱红外成像的核心。美国、法国、德国等国际发达国家通过近二十年的竞相研制，大幅提升了红外探测器组件的性能和可靠性，并在高光谱成像技术研究方面取得了很大进展。该技术已经广泛应用于航空航天对地观测中的高光谱遥感领域，且具有军民双重用途。它在昼夜均具备快速精确的鉴别能力，不仅可对太空、空中及地面军事伪装隐身目标进行精确定位、动态跟踪和准确识别，而且还可以用于农业、矿物填图、植被生化、水体污染物等方面的陆地、海洋和气象遥感监测。

高光谱红外成像系统采用的是面阵红外探测器。其中，面阵长度（X方向）像元用于单波段宽幅扫描成像，而面阵宽度（Y方向）则是细分光谱通道方向。基于光学分光棱镜或光栅，探测器固定透过光谱带通谱段。然后通过搭载平台的移动扫描对地面目标进行探测，形成高光谱三维成像（见图2和图3）。

图2 高光谱红外成像探测器的工作示意图

高光谱成像技术已经在目标特征研究等方面显示出了巨大的魅力。许多国家先后研制出了多种类型的高光谱成像系统，并建立了目标光谱成像特征库。它们用于分析从可见光到红外波段的多光谱信息以及实现高光谱图像目标的识别等。

图3 高光谱红外成像的示意图

1.1法国Sofradir公司的高光谱红外探测器组件发展状况

1.1.1 1000 × 256和500 × 256高光谱短波红外探测器组件

法国Sofradir公司于2000年初为欧洲空间局（ESA）成功研制出了工作波段为0.9 ~ 2.5 μm的1000 × 256碲镉汞高光谱短波红外探测器组件（称为Saturn），然后又研制出了工作波段为0.9 ~ 2.5 μm的500 × 256碲镉汞高光谱短波红外探测器组件（称为Neptune）。以上两种组件统称为SWIR，主要用于对地观测高光谱成像系统。

意大利PRISMA项目中的高光谱成像系统要求将短波红外探测器的工作波段从短波红外扩展到可见光。通过技术攻关，Sofradir公司研制出了工作波段在可见光至短波红外光谱范围内（0.4 ~ 2.5 μm）的1000 × 256碲镉汞高光谱探测器组件，同时还开发了工作波段为0.4 ~ 2.5 μm的500 × 256碲镉汞高光谱短波红外探测器组件（统称为VISIR）。

Sofradir公司的碲镉汞探测器采用在几百微米厚的CdZnTe衬底上液相外延生长的碲镉汞薄膜材料。在碲镉汞芯片与读出电路倒装互连后，目标光子必须透过CdZnTe衬底才能进入碲镉汞光电二极管（即探测器的背光照工作方式）。由于CdZnTe衬底会吸收波长小于0.86 μm的光子，具有CdZnTe衬底的Sofradir型和Neptune型SWIR探测器无法响应波长小于0.8 μm的光辐射。因此，他们在不降低探测器性能的前提下研发了碲镉汞探测器底部填充和背减薄技术，即在碲镉汞芯片与读出电路倒装互连的铟柱间隙中灌入环氧树脂胶，然后去除探测器的CdZnTe衬底。当衬底去除后，只剩约10 μm厚的碲镉汞芯片。此时，碲镉汞短波红外探测器的工作波长可小于0.4 μm。Saturn型和Neptune型VISIR探测器就是这样去除了CdZnTe衬底。这时由于碲镉汞芯片很薄，大大降低了碲镉汞芯片与硅读出电路在低温状态下的应力，所以VISIR型1000 × 256碲镉汞高光谱探测器能够经受1000次以上的开关机制冷工作循环，明显提高了探测器的使用寿命。

图４为SWIR和VISIR探测器的结构示意图。图５所示为SWIR与VISIR探测器的相对光谱响应曲线对比情况。

图4 SWIR和VISIR探测器结构

图5 SWIR与VISIR探测器的相对光谱响应曲线

VISIR探测器将可见光探测器和短波红外探测器合二为一，可极大简化工作在可见光至短波红外波段的高光谱成像系统。它的技术难点是，为保证探测器在工作波段内具有较高的量子效率，需要在其碲镉汞光敏面上镀制厚度为0.4 ~ 2.5 μm的防反射膜层。通常碲镉汞的折射率为3.4，反射率约为30%。通过在SWIR探测器的光敏面上镀制厚度为1/4探测器响应波长的ZnS材料，可使该探测器在0.8 ~ 2.5 μm光谱范围内达到较高的量子效率。由于0.4 ~ 2.5 μm波段太宽，若在VISIR探测器的光敏面上只镀制ZnS一种材料，则无法在0.4 ~ 2.5 μm光谱范围内实现较高的量子效率。因此，Sofradir公司与CEA--Leti实验室联合开发了一种在VISIR探测器表面上镀制多层YF3和ZnS防反射材料的方法，将VISIR探测器在0.4 ~ 2.5 μm波段的量子效率提高了10% ~ 15%（见图6和图7）。

图６ VISIR探测器的光敏面上有/无防反射膜时的量子效率

图7 VISIR探测器的光敏面上有/无防反射膜时的光谱响应曲线

目前，Neptune型和Saturn型碲镉汞高光谱探测器组件的主要性能参数见表1，外形见图8和图9。

表1 Sofradir公司高光谱短波红外探测器组件的技术指标

图8 Neptune型碲镉汞高光谱探测器组件

图9 Saturn型碲镉汞高光谱探测器组件

Neptune型和Saturn型VISIR及SWIR高光谱探测器组件至今已应用于多种高光谱红外成像系统，包括法国国防部观测卫星载SPIRALE系统、意大利空间局的高光谱观测卫星载PRISMA系统以及日本高光谱观测卫星载HYSUI系统等等。其中，Saturn型高光谱探测器组件的具体应用情况如下：（1）为欧洲空间局的航空棱镜实验（APEX）任务提供了4套组件；（2）为比利时高光谱项目提供了1套组件；（3）为以色列无人机高光谱项目提供了2套组件；（4）为日本HISUI项目提供了5套组件；（5）为意大利PRISMA项目提供了8套组件；（6）为印度未来任务的预研项目提供了4套组件；（7）为哨兵——5卫星用TROPOMI项目提供了2套组件。

2013年，Sofradir公司在Neptune型和Saturn型高光谱探测器组件技术的基础上，开展了两项空间项目研究。

第一个项目是先进科学仪器Micr-Omega-Mascot。基于Neptune型和Saturn探测器组件，这款仪器被安装在日本的HAYABU-SA2科学任务上。根据任务要求，该探测器的光谱响应范围为0.9 ~ 3.5μm，飞行模型样机于2013年底交付。

第二个项目是Sofradir公司生产的空间用Saturn型高光谱探测器组件的改进型，即为高光谱成像应用的出口产品。该组件采用Thales低温公司制造的高可靠性LSF系列斯特林制冷机，在30000 h运行时间内的可靠性高于99%。图10所示为这种探测器组件的外形结构。

图10 空间用改进型Saturn探测器组件

在未来5年里，Sofradir公司预计每年提供5至10套用于航空或航天领域的Saturn型探测器组件（1000 × 256）。

1.1.2 1016 × 440高光谱中波/长波红外探测器组件

航空高光谱成像的应用需求已扩展至中波红外和长波红外波段。为满足可见光至长波红外波段的高光谱成像要求，Sofradir公司研制出了像元间距为25 μm的1016 × 440高光谱中波/长波红外探测器组件（主要技术指标见表2，组件外形见图11）。两种探测器的读出电路相同，皆采用基于1000 × 256探测器组件技术优化的杜瓦结构和高可靠性斯特林制冷机，可承受高强度的机械振动与冲击环境条件。

图11 1016 × 440高光谱中波/长波红外探测器组件

表2 Sofradir公司1016 × 440高光谱探测器组件的技术指标

1.1.3 1024 × 1024高光谱短波红外探测器组件

目前，Neptune型和Saturn型高光谱探测器组件可以满足大多数高光谱成像系统的需求。而针对未来的空间观测用高光谱成像系统，Sofradir公司自2011年以来研制了规模更大、光谱响应范围更宽的高光谱短波红外探测器，即下一代全色（Next-Generation Panchromatic，NGP）探测器。这种像元间距为15 μm的1024 × 1024探测器的光谱响应延伸至紫外波段，同时还具有响应率非均匀性和光电响应高、噪声小、损耗低、抗辐照以及可靠性强等性能（主要技术指标见表3）。图12为NGP探测器在0.9 ~ 2.5 μm波段获得的红外图像。

表3 Sofradir公司下一代全色高光谱红外探测器的主要技术指标

1.2德国AIM公司的高光谱红外探测器组件发展状况

为满足目标识别、气象、气体探测等航空航天领域的高光谱红外成像应用需求，德国AIM公司于2008年成功研制出了ActIR-384型和ActIR-1024型碲镉汞高光谱红外探测器组件（典型工作温度为150 K，后截止波长为2.5 μm）。图13为ActIR-384型高光谱红外探测器组件的示意图。

为了实现ActIR-1024型红外探测器用硅读出电路在标准硅工艺生产线上的流片加工，该探测器成像方向上1024个像元的中心间距设计为24 μm，光谱方向上256个像元的中心间距设计为32 μm，读出电路的长度设计为27 mm。图14和图15所示分别为ActIR-1024型红外探测器的像元排列和组装示例。表4列出了两种探测器组件的主要技术指标。

图12 1024 × 1024高光谱短波红外探测器组件的成像效果

图13 ActIR-384型高光谱短波红外探测器组件

图14 ActIR-1024型高光谱短波红外探测器的像元排列

AIM公司的碲镉汞探测器制造技术及方法与Sofradir公司相同。他们也成功研发了碲镉汞探测器底部填充和背减薄技术，有效去除了碲镉汞探测器的CdZnTe衬底，使碲镉汞短波红外探测器的工作波长可小于0.4 μm。ActIR-1024型高光谱探测器可以经受9000次以上的开关机制冷工作循环，大大提高了探测器的使用寿命。

2国内高光谱红外探测器组件的发展状况

在国外发达国家对我国高端红外探测器组件实行严密技术封锁的情况下，通过国家的大力支持，中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所以及中国电子科技集团公司第十一研究所（以下简称“中国电科十一所”）等单位重点对中波红外、长波红外、短波红外碲镉汞探测器组件进行了技术攻关，极大地推动了我国碲镉汞红外探测器组件的技术进步。

近几年，我国高光谱红外成像技术在航天领域得到了初步应用，但国内高光谱碲镉汞红外探测器组件技术发展较晚。在国内公开发表的技术资料中，没有发现国内同行单位相关产品的研制和应用情况。本文仅介绍中国电科十一所在这方面的研制状况。

针对未来的高光谱红外成像应用需求，中国电科十一所在现有碲镉汞红外探测器组件研制技术的基础上，开展了高光谱红外探测器组件的自主研制，并研制出了1024 × 256碲镉汞高光谱短波红外探测器组件。图16、图17和图18所示分别为该探测器的像元分布及尺寸、盲元分布和相对光谱响应。图19和图20分别为探测器及探测器／杜瓦组件照片和探测器组件照片。图21所示为组件外形和接口尺寸。该组件计划应用于机载高光谱红外成像系统（主要技术指标见表5）。

目前，中国电科十一所研制的1024 × 256碲镉汞高光谱短波红外探测器组件主要在有效像元率方面与法国产品尚有差距。下一步将根据用户的工程需求，优化探测器增益和组件结构等设计，进一步提高探测器制备工艺技术水平，减少盲元数量，提高探测器像元性能的稳定性。

图15 ActIR-1024型高光谱短波红外探测器、探测器杜瓦以及探测器组件

表4 德国AIM公司高光谱红外探测器组件的技术指标

3结束语

目前，国际上普遍研制和使用的碲镉汞高光谱红外探测器组件具备高效处理微弱光电信号的能力，并具有高增益、低噪声性能，其每行像元的增益可独立设置。在工程应用中，通常设置较长的探测器积分时间。探测器的暗电流会对高光谱红外系统的性能产生明显影响，所以探测器应尽可能地减小暗电流。

当高光谱红外探测器组件用于高光谱红外成像时，每行像元分别进行光机扫描成像。如果其中有1个盲元或不稳定像元，那么就会破坏红外图像的一列像素，其对成像质量的影响远远大于通用的面阵红外探测器成像。因此，高光谱红外系统对探测器盲元和像元性能稳定性的要求非常苛刻。

暗电流水平是碲镉汞红外探测器光电性能的决定因素。它取决于探测器结构和制备工艺水平，是红外探测器研究的核心。红外探测器的盲元主要由碲镉汞材料和碲镉汞光电二极管芯片制备工艺中引入的缺陷导致。世界各国研制的碲镉汞红外探测器对此均无法避免。盲元数量取决于碲镉汞材料和芯片制备工艺技术水平，难以完全消除。

图16 中国电科十一所1024 × 256高光谱短波红外探测器的像元分布及尺寸

图17 中国电科十一所1024 × 256高光谱短波红外探测器的盲元分布

图18 中国电科十一所1024 × 256高光谱短波红外探测器的相对光谱响应

图19中国电科十一所1024 × 256高光谱短波红外探测器及探测器/杜瓦组件

图20 中国电科十一所1024 × 256高光谱短波红外探测器组件的实物图

国外发达国家的碲镉汞红外探测器研究起步早，基础研究投入大，探测器理论基础、技术条件和工艺水平领先于我国。目前，他们研制的高光谱短波红外探测器组件已经普遍应用于航空、航天军事或民用高光谱成像探测领域，正在进行高光谱中波／长波红外探测器组件的高光谱成像工程应用，并进一步开发了从短波红外延伸至紫外波段的更大规模的高光谱红外探测器组件。发达国家占据着高光谱红外探测器组件和高光谱成像技术的制高点，在军事和民用目标信息资源获取及定性探测上具有明显优势。为保持此优势，他们对我国严格禁运高光谱红外探测器组件的关键元器件。

图21 中国电科十一所1024 × 256高光谱短波红外探测器组件的外形和接口尺寸

表5 中国电科十一所高光谱红外探测器组件的技术性能

因此，我国应自主研发具有先进结构的碲镉汞红外探测器，大力开展相关基础研究，提升探测器基础理论和工艺技术水平，降低探测器的暗电流，减少盲元。这样才能形成工作在可见光至长波红外波段的大规模碲镉汞高光谱红外探测器组件的实用化产品，赶超世界先进国家，早日实现高光谱红外探测器组件在高光谱成像中的工程应用，从而在军用目标精确探测、识别和对抗方面取得主动。

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