中长波红外探测技术空间应用进展王玉莹，李劲东*，孙鹤枝，李享(xiǎng)中(zhōng)国(guó)空(kōng)间(jiān)技(jì)术(shù)研(yán)究(jiū)院(yuàn)
1. 研(yán)究(jiū)背(bèi)景(jǐng)
中(zhōng)波(bō)、长(zhǎng)波(bō)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)大(dà)气(qì)穿(chuān)透(tòu)力(lì)强(qiáng)、识(shi)别(bié)伪(wěi)装(zhuāng)目(mù)标(biāo)的(de)能(néng)力(lì)优(yōu)越(yuè)，是(shì)制(zhì)约(yuē)未(wèi)来(lái)天(tiān)基(jī)对(duì)地(de)观(guān)测(cè)、天(tiān)文探测能力的关键技术，其对低温、遥远、弱目标和低对比度目标的探测性能决定空间红外遥感系统能否探得清、看得远。而由于天基红外探测系统探测目标的多样化，不同任务目标对探测器的需求也十分不同。本文梳理天基红外探测技术的发展脉络和研究进展，对中长波红外探测器技术及其空间应用进行综述，基于对天基遥感应用中地面像元分辨率(GSD)、探测距离和噪声等效温差(NETD)等关键性能指标的综合分析，厘清其与红外探测器相关参数的关联，进(jìn)而(ér)具(jù)体(tǐ)分(fēn)析(xī)像(xiàng)元(yuán)间(jiān)距(jù)、探(tàn)测(cè)器(qì)NETD、探(tàn)测(cè)率(lǜ)及(jí)工(gōng)作温度等对天基红外遥感性能的影响。最后根据未来高分辨率、体系效能型天基遥感的发展趋势，提出中长波红外探测技术面临的挑战和发展方向。
2. 中长波红外探测器的特点及发展现状
红外探测器从单元/线阵探测器(unit detector/line array)发展至今（图1），已成功实现单色焦平面阵列(single-color focal plane array，FPA)、双色焦平面阵列(double-color focal plane array，FPA)和多色焦平面阵列(multi-color focal plane array，FPA)的研制和应用。超大规格的焦平面阵列和高密度像元中心距是实现红外探测系统超高空间分辨率的主要途径。从单元成像到焦平面成像，探测器像元数量显著提升，使成像体制实现从扫描成像到凝视成像的跨越，应用领域得到拓展。当前2k×2k（波长2.5或5.2 µm）、3k×3k（波长5.3或14.5 µm）中长波红外探测器阵列、4k×4k（像元间距10-15 µm）短波红外探测器阵列已在美国、法国等国家的航天、军事等领域得到应用，雷神视觉系统公司的1-3 μm、3-5 μm探测器规模达到4096×4096（10/15 μm像元间距），短波探测器面阵规模达到8k×8k。整体上，红外探测器像元间距减小至5 µm，NETD达到优于20 mK，帧频从1 kHz提升至10 kHz，探测波长达到甚长波，可实现多色和高光谱探测。
图1 红外探测器技术的发展和特点
由于低温目标辐射能量低、峰值波长更长（图2），因此天文观测、天基预警等对远距离低温、暗弱目标的探测需要更长的红外波长、更高的灵敏度和探测率，需要更低的工作温度来保证探测器性能（图3）。当前第三代高性能中波及长波红外探测器主要有HgCdTe、Si:As、量子阱、II类超晶格等。HgCdTe、Si:As探测器焦平面在低温环境下暗电流水平低，中波和长波波段探测性能优越，多年来被广泛用于空间对地观测和天文应用，但是HgCdTe探测器在大面阵和长波器件制造中面临较大困难。量子阱探测器已被成功用于Landsat-8/9卫星、STSS预警卫星，但其量子效率较低，II类超晶格探测器在中长波、大面阵器件制备中具有优势但是量子效率低于HgCdTe，尚未有空间应用的报道。
图2 波长和光谱辐射强度与目标温(wēn)度(dù)的(de)关系(xì)
图3 不同红外探测器的波长、探测率和工作温度
红外探测器通过深低温保障其性能，但低温系统也增加了其应用成本。随着小尺寸、轻重量、低能耗、低价格、高性能概念（SWaP3）的提出，大规模、小型化、双色/多色化、智能化成为新一代红外探测器的主导趋势。为降低应用成本，研究人员近年来一直致力于新型探测(cè)器(qì)的(de)开(kāi)发(fā)：如(rú)可(kě)在(zài)150 K温(wēn)度(dù)下工作的高工作温度（HOT）红外探测器（p-on-n HgCdTe、P-v-N HgCdTe、XBn阻挡层InAsSb、InAs/InAsSb等）；室温工作红外探测器（等离子体增强红外探测器（PEIDs）、基于能带工程的量子级联红外探测器（QCIDs-EBE）、带间级联探测器（ICDs）、低维材料红外探测器等）；可增强更宽波段范围响应特性的红外探测器（基于人工光子微结构调控的陷光结构红外探测器（IRAPMC）等）。尽管这些新型探测器的性能仍需提升，应用尚面临挑战。但随着人工微结构调控技术、人工智能等技术的发展，有望给(gěi)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)器(qì)片(piàn)上(shàng)智(zhì)能(néng)化(huà)、芯(xīn)片(piàn)集成(chéng)带(dài)来(lái)新(xīn)的(de)机(jī)遇(yù)，从(cóng)而(ér)为(wèi)空(kōng)间(jiān)应(yīng)用(yòng)提(tí)供(gōng)新(xīn)的(de)技(jì)术(shù)解(jiě)决(jué)途(tú)径。
3. 天(tiān)基(jī)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)系(xì)统(tǒng)及(jí)中(zhōng)长(zhǎng)波(bō)红(hóng)外(wài)探(tàn)测器技术应用现状
天基红外探测利用布局在空间平台的红外探测传感器进行对地观测或天文探测。对地观测应用中，红外探测可全天候工作、隐蔽性好、不易被干扰，识别伪装目标的能力优越，具有可见光、SAR等遥感技术无法替代的作用。可应用于海洋、测绘、农业、林业、水利、环保、气象、灾害探测、国防等。如，在农业/林业中通过0.7-1.7 µm波段的天基红外遥感，可分析作物种植面积、病虫害探测等；通过3.6-12 µm探测可用于森林等地面火灾及过火情况分析；根据有毒气体、污染物、甲烷、水蒸气等对红外的不同吸收和反射特性，红外探测可成为气象观测、温室气体排放与扩散监测的有效手段。因此，要求红外探测器具有高空间分辨率、高灵敏度、较低的噪声和较宽的探测波段范围。
国防应用中利用天基平台优势，可弥补地面雷达系统由于受地球曲率的(de)影(yǐng)响(xiǎng)对高速飞行空间目标的监视和追踪盲区，通过天基与地面探测系统配合可实现对弹道导弹、超音速飞行器、亚音速飞行器等的全方位追踪（图4），从而在导弹预警、军事侦查等应用中发挥重要作用。天基红外探测系统在美国、俄罗斯、法国、以色列等国家和地区均得到重要发展。美国相继发展了DSP、SBIRS、STSS、NG-OPIR、MSX和NFIRE卫星遥感系统（图5，表1），未来将进一步发展探测和跟踪高超声速飞行器的能力，要求红外探测在8-15 µm中长波波段具有较高的探测率和响应度，以在几分钟内作出识别、分析和判断。
图4 高超声速飞行器飞行剖面和飞行时间对比
图5 美国DSP、SBIRS、STSS 预警系(xì)统(tǒng)作(zuò)用(yòng)示(shì)意(yì)图(tú)
表(biǎo)1 美(měi)国(guó)预(yù)警(jǐng)系(xì)统(tǒng)对(duì)比(bǐ)
天文探测中，红外探测技术是研究行星、恒星、星系和宇宙起源的重要手段。美国、日本和欧洲等国家和地区发射了多颗天文红外(wài)卫(wèi)星(xīng)（图(tú)6），天(tiān)文探(tàn)测(cè)中(zhōng)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)器(qì)（图(tú)7，表(biǎo)2）的(de)探(tàn)测(cè)波(bō)长(zhǎng)可(kě)达(dá)几(jǐ)百(bǎi)微(wēi)米(mǐ)，当(dāng)前(qián)最(zuì)先(xiān)进(jìn)的(de)天(tiān)基(jī)天(tiān)文望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)系(xì)统(tǒng)JWST和(hé)在(zài)研(yán)的(de)天(tiān)基(jī)天(tiān)文望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)SPICA均(jūn)配(pèi)备(bèi)有(yǒu)高(gāo)性(xìng)能(néng)的(de)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)载(zài)荷(hé)。但(dàn)随(suí)着(zhe)天(tiān)文观(guān)测(cè)的(de)对(duì)象(xiàng)距(jù)离(lí)越(yuè)来(lái)越(yuè)遥(yáo)远(yuǎn)，其(qí)目(mù)标(biāo)和(hé)背(bèi)景(jǐng)辐(fú)射(shè)更(gèng)加(jiā)微(wēi)弱(ruò)，因(yīn)此(cǐ)对(duì)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)器(qì)性(xìng)能(néng)要(yào)求(qiú)也(yě)更(gèng)为(wèi)严(yán)苛(kē)。
图6 制冷型红外光学在天文望远镜中的应用
图7 大面阵红外焦平面(a)用于VISTA望远镜的2048×2048 像(xiàng)元(yuán)HgCdTe红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)器(qì) (Rogalski, 2017)；(b) 可用于天文探测的Hawaii-4RG-10红外探测器(像元数量4096×4096, 10 µm间距，波长1-5 µm)；(c) 用于JWST的(de)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)器(qì)(Ressler et al., 2015)；(d) 用(yòng)于(yú)美(měi)国(guó)近(jìn)地(de)天(tiān)体(tǐ)监(jiān)视(shì)任(rèn)务(wu)(NEOSM)的(de)HgCdTe长(zhǎng)波(bō)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)器(qì) (λ>10 µm) (Roellig et al, 2020)表2 红外光学探测器在天文望远镜中的应用
4. 未来高效能天基(jī)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)对(duì)中(zhōng)长(zhǎng)波(bō)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)器(qì)技(jì)术(shù)的(de)需(xū)求(qiú)分(fēn)析(xī)
1）空(kōng)间(jiān)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)系(xì)统(tǒng)与(yǔ)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)器(qì)参(cān)数(shù)关联(lián)性(xìng)分(fēn)析(xī)
典(diǎn)型(xíng)的(de)空(kōng)间(jiān)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)系(xì)统(tǒng)主要(yào)包(bāo)括(kuò)光(guāng)学(xué)系(xì)统(tǒng)、红(hóng)外(wài)焦(jiāo)平(píng)面(miàn)探(tàn)测(cè)器(qì)、光(guāng)机(jī)系(xì)统、电路和热控制系统。通过上述部件协同作用，来保证红外探测器和光学系统的正常运行，实现从空间平台对目标的红外遥感观测。评估空间红外探测系统性能的主要指标有调制传递函数（MTF）、幅宽、地面采样距离（GSD）、探测距离、噪声等效温差（NETD）、信噪比（SNR）、光谱特性等参数。这些指标是设计高性能红外(wài)探(tàn)测(cè)系(xì)统(tǒng)的(de)基(jī)本(běn)前(qián)提(tí)，文章(zhāng)梳(shū)理(lǐ)并(bìng)厘(lí)清(qīng)上(shàng)述(shù)指(zhǐ)标(biāo)与(yǔ)红(hóng)外(wài)探(tàn)测(cè)器(qì)参(cān)数(shù)、光(guāng)学(xué)系(xì)统(tǒng)关键参(cān)数(shù)的(de)相(xiāng)关性(xìng)（图(tú)8），构(gòu)建(jiàn)了(le)基(jī)于(yú)红(hóng)外(wài)探(tàn)测系统性能要求的红外探测器关键参数和红外光学系统设计参数关联网络。
图8 空间红外探测系统与红外探测器参数、红外光学系统设计参数关联网络
文章举例定量研究了D*、像元间距和最大探测距离之间的关系（图9）。结果表明，降低操作温度可显著提高探测率，较小的像元间距和较低的NETD可显著扩展最大探测距离。但值得注意的是，较小的像元间距并不一定保证探测器具有更高的性能。这是因为探测器像元尺寸影响探测系统MTF及其对图像中的细节进行解析的能力。如果像元尺寸过小，图像受少数载流子扩散引起的噪声影响将会增加，也会由于衍射效应影响成像质量。如中波的波长衍射极限约为3 µm，长波的波长衍射极限约为8 µm。当像元尺寸小于所探测波段的衍射极限时，探测器的MTF将受到影响，空间分辨率无法进一步增加。因此探测器像元尺寸的选择应在可以保证高分辨率的同时，考虑衍射极限和其他可能影响系统MTF的因素。
图9 红外系统D*、像素距离、温度、波长与最大探测距离的关系2）未来天基红外探测面临的挑战和对红外探测器的需求分析
为进行高精度精细化探测和目标识别，未来空间遥感数据的获取趋向于高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率和高能量分辨率。这要求红外探测器的暗电流水平、灵敏度、分辨率等性能不断提升。当前短波段红外探测器技术相对成熟，但中波和长波红外探测器在实现大面阵、高探测率、盲元率控制和高密度集成方面仍面临较大困难。这给高性能天基红外对地观测平台的构建带来如下挑战：
（1）为支撑空间高性能光学遥感系统的构建，亟需发展更大面阵规模、更小像元尺寸、低噪声、高灵敏度和高动态范围的红外探测器。然而，目前高性能大面阵中长波红外探测器的制造仍然非常困难。全球仅有少数几家公司能够提供中波和长波波段的高品质红外探测器。（2）高效的深低温制冷和系统集成技术是保障红外探测器工作性能的关键。而工作温区低于35 K的深低温制冷系统面临效率低、多级制冷系统复杂、对工质中杂质敏感和长寿命等挑战。（3）尽管目前已研发出适用于中波和长波红外探测器的新型材料，但其应用尚面临挑战。因此，面向未来空间应用的红外探测器研究应重点关注以下方面：（1）开发具有大面阵规模、小像元尺寸的红外探测器，以提高其集成性，减小探测器尺寸和制冷系统功耗，增强成像系统的空间分辨率、图像质量和目标识别能力。（2）发展具有mK级温度分辨率、极低暗电流和噪声、极高灵敏度的中长波和甚长波红外探测器，以提高对低温、移动目标和远距离天文目标探测的能量分辨率、光谱分辨率，以在相同轨道高度实现更高的探测率和目标识别能力。（3）发展具有快速响应能力的高帧频探测器和具有高动态范围（HDR）的探测器以提高探测系统时间分辨率。（4）充分利用多维信息融合成像、片上智能、片内感知—存储—处理一体化等新技术，开发新一代红外探测器，促进空间遥感的智能化发展和高效应用。
